绿色化学与环境化学.ppt

绿色化学与环境保护 张丽丹教授 北京化工大学化学教学实验中心 绿色化学 绿色化学 GreenChemistry 又称无害化学 EnvironmentalBenignChemistry 在其基础上发展的技术称环境友好技术 EnvironmentalFriendlyTechnology 或洁净技术 CleanTechnology 它所研究的中心问题是使化学反应及其产物具有以下特点 1 采用无害 无毒的原料 2 在无毒 无害的反应条件 催化 溶剂 下反应 3 具有 原子经济性 即反应具有高选择性 极少副产品 甚至 零排放 4 产品应是环境友好的 此外 它还应当满足 物美价廉 的传统标准 一 绿色化学 因此 绿色化学可以看作是进入成熟期的更高层次的化学 绿色化学实例 1 绿色产品 1 海洋生物除垢剂 防止海洋植物与小动物在船体表面生长 传统使用 氧化三丁基锡 TBTO 不仅有毒 而且回在生物体内积累及使水生贝壳增厚 据报道1996年Rohm Haas公司开发的Sea Nine tm 无毒 且生物积累几乎为零的除垢剂 一 绿色化学 2 杀虫剂据报道1996年Rohm Haas公司开发的CONFIRMC tm 在农业上能选择性地 有效地杀死毛虫而不使生态系统产生大的危害 不产生积累 不挥发 不在环境中残留等 3 除草剂据报道 2000年南开大学元素有机研究所研制了新型除草剂 单嘧磺隆 不仅对危害农作物的杂草具有除去功能 而且对温血动物几乎无害 一 绿色化学 2 绿色原料20世纪90年代以来 一生物质作为原料的合成研究已经取得一些成果 生物质气化制氢气 一 绿色化学 3 绿色工艺据报道 中国科学院化学冶金所提出绿色工艺 1 从铬铁矿生产铬盐理论上不消耗除矿石 空气以外的其他原料 不产生废弃物 一 绿色化学 2 碳酸化转化炼铅湿法新工艺 消除了火法过程中铅蒸汽和二氧化硫对环境的污染 4 资源再生利用近年来 越来越多的研究者认为由CO2为主导因子的温室效应引发的全球变暖和海平面上升正威胁着人类的生存 随着人们对资源短缺和全球变暖问题重视程度的提高 CO2的减排 回收 利用及资源化正成为21世纪最为重要的环境和能源问题之一 1995年 我国CO2排放量已达3 01 109t 占全球排放总量的13 6 居世界第2位 但国内对工业废气中CO2回收利用的研究工作起步较晚 工业化利用技术与国外相比尚有一定差距 一 绿色化学 1 CO2资源化利用的现状及前景CO2分离捕集最新工艺实例 电化学法熔融碳酸盐燃料电池是在闭合电路 应用一个外部电动势 下通过膜传输CO23 其反应原理如下 阴极 O2 2CO2 4e 2CO2 3阳极 2H2 2CO2 3 2CO2 2H2O 4e 总反应 O2 2H2 2H2OCO2资源化利用实例一 CO2生成二甲醚CO2 3H2 CH3OH H2O2CH3OH CH3OCH3 H2O 一 绿色化学 2 电子线路板蚀刻工艺中含铜酸性和碱性废液的处理回收工艺 废碱液主要是介质为氯化铵 氨水 pH 9 10 铜氨溶液 废酸液主要是介质为盐酸 pH 1 的铜溶液 副产品1氯化铵 副产品2硫酸铵 一 绿色化学 二 环境保护 环境保护 环境治理实例之一 污水处理中污泥无害化处理方法 污水处理产生的大量污泥的任意堆放和投弃对环境造成了新的污染 如何妥善处置这些污泥已成为全球共同关注的课题 当今的共识是将污泥视为一种资源加以有效利用 在治理污染的同时变废为宝 二 环境保护 像北京这样的大城市 到2008年时城区日污水排放量高达200多万吨 在污水处理率达到100 的时候 每天会产生2000多吨污泥 每年会产生80多万吨左右的城市污泥 形象地说 北京每天产生的污泥要用200辆次的10吨大卡车 才能运出城外 这些污泥如果按1米的高度堆放 占地面积需要1200亩 因此 北京市年80万吨城市污泥的无害化处置和合理利用 是一个迫在眉睫的问题 二 环境保护 目前 我国城市污泥处理处置主要方法中 污泥农用约占44 8 陆地填埋约占31 其它处置约占10 5 没有处置的约占13 7 这些所谓的 处理 和 处置 基本上都是在特定的条件下估算的 严格来说以上数字将会有很大变化 据统计 我国用于污泥处理处置的投资约占污水处理厂总投资的20 50 可以看出 污泥处理处置处于严重滞后状态 二 环境保护 1 污泥处理方法随着海洋投弃被禁止 污泥弃置的比例正逐渐减少 同时土地填埋也受到越来越严格的限制 因为填埋需占用大量土地 耗费可观的填埋费用且不能根治污染 在今后数年里美国的大部分污泥填埋场将关闭 欧盟也将规定填埋必须和焚烧相结合 只有焚烧灰才可以被填埋 人们已认识到污泥处理的优先顺序是减容 利用 污泥减量化 稳定化 无害化处理后作为资源回用已经成为主流 污泥利用可分为土地利用和热能利用 具体方法包括堆肥 碱性稳定化 热干化 焚烧等 二 环境保护 2 堆肥无害化处置堆肥是利用污泥中的微生物进行发酵的过程 在污泥中加入一定比例的膨松剂和调理剂 如秸杆 稻草 木屑或生活垃圾等 利用微生物群落在潮湿环境下对多种有机物进行氧化分解并转化为类腐殖质 研究表明 经过堆肥的污泥质地疏松 阳离子交换量 CEC 显著增加 容重减小 可被植物利用的营养成分增加 病原菌和寄生虫卵几乎全被杀灭 目前采用的方法有静态和动态堆肥两种 有些地方仍沿用传统的条形静态通风垛 一些发达国家则多采用现代工业化的发酵仓工艺 如日本至20世纪90年代末已建了35座污泥堆肥厂 其中最大的堆肥厂在北海道的札幌市 其发酵仓和生产线很具规模且机械化自动化程度高 国内的唐山 常州等地也采用发酵仓处理污泥 二 环境保护 3 碱性稳定化碱性稳定化是在污泥中加入石灰或水泥窑灰等碱性物质 使污泥pH 12并保持一段时间 利用强碱性和石灰放出的大量热能杀灭病原体 降低恶臭和钝化重金属 处理后污泥可直接施用于农田 碱性稳定化的两个主要处理方法是N ViroSoil和Agri Soil方法 前者是在碱性稳定后通过机械翻堆或其他方法使污泥快速干燥 后者则是在混合碱性物料后进行堆肥 美国爱森技术公司开发了成套N Viro设备并在美国 澳大利亚等地使用 其自动化程度高 处理湿污泥量可达50 240t d 二 环境保护 4 热干化 热干化是利用热能将污泥烘干 干化后的污泥呈颗粒或粉末状 体积仅为原来的1 5 1 4 而且由于含水率在10 以下微生物活性完全受到抑制而避免了产品发霉发臭 利于储藏和运输 热干化过程的高温灭菌作用很彻底 产品可完全达到卫生指标并使污泥性能全面改善 产品可作替代能源也可土地利用 20世纪90年代热干化技术得到迅速发展 2000年世界干污泥产量已是1990年的10倍 目前在设备市场技术领先的有奥地利的Andritz公司 比利时的Seghers公司和美国的Bio Gro等 其设备可蒸发水量为0 5 10t h 相当于处理含水率为20 的湿污泥15 300t d 而且设备自动化程度高 安全性能好 5 焚烧 通过焚烧可利用污泥中丰富的生物能来发电并使污泥达到最大程度的减容 焚烧过程中所有的病菌 病原体均被彻底杀灭 有毒有害的有机残余物被氧化分解 焚烧灰可用作生产水泥的原料 使重金属被固定在混凝土中而避免其重新进入环境 不足之处在于焚烧过程中会产生二英等空气污染物 目前应用最广的焚烧设备是流化床焚烧炉 当污泥的含水率达到38 以上时就可不需要辅助燃料直接燃烧 污泥焚烧在日本和欧美较为普遍 日本有61 的污泥采用焚烧处理 二 环境保护 污泥无害化处理技术市政污泥是城市污水处理厂在水处理过程中产生的沉淀物质 既含有大量的微生物 有机质及丰富的氮 磷 钾等营养物质 又含有重金属 微生物及各种菌类 如处理不善将会造成严重的二次污染 6 污泥处理工艺流程 二 环境保护 二 环境保护 皮革污泥无害化减量化资源化低温干化工艺 对含水率75 污泥脱水处理 污泥分级特殊处理 设计日处理量为150吨减量为原来的四分之一 将制成的干燥颗粒提供给水泥制品厂固化 浙江皮革污泥处理工程 二 环境保护 杭州四堡污水处理厂污泥处理工程 工业与生活混合污泥无害化减量化资源化 利用天然气对含水率75 污泥干化处理 污泥分级特殊工艺处理 设计日处理量为600吨 制成制砖用干燥颗粒 二 环境保护 7 主要设备污泥脱水机械 污泥干燥机械 污泥堆肥化机械 污泥输送机械 卧式堆肥装置 日处理量10 30吨 二 环境保护 污泥制肥自动化工艺过程 二 环境保护 环境保护 环境治理实例之二 治理沙尘及粉尘的方法 目前我国沙尘和粉尘污染较严重 其主要来源 露天矿厂 港口码头矿石料堆 城市建筑工地 城市未绿化裸露地表 荒漠化土地 沙漠等 二 环境保护 二 环境保护 二 环境保护 本课题组研制 多种水溶性的固沙抑尘剂系列产品 发表专利 例如 磺化三聚氰胺脲醛树脂 氧化淀粉接枝的丙烯酸酯等 采用含水95 的固沙抑尘剂固化沙土的效果照片 室外喷洒了抑尘剂沙土堆照片 二 环境保护 秦皇岛货运码头实地喷洒 施工工地现场抑尘效果 二 环境保护 二 环境保护 环境保护 环境治理实例之三 有机废气处理方法 二 环境保护 人类进入21世纪 科学技术的迅速发展 对人类进步有巨大的推动作用 绿色的工业生产过程 环境保护意识 已成为全人类的共同理念 随着现代化工业的发展 要求工业生产过程无害化生产 但是 在一些现阶段不能完全更新的传统工业过程中仍产生大量易挥发性有机废气 Volatileorganiccompounds简称VOCs 例如甲烷 一氧化碳 乙烯 苯 甲苯 二甲苯 甲醛等 这些废气对环境产生污染 人的身体健康有危害作用 二 环境保护 近年来 随着电子工业 机械工业 汽车 印刷 以及机车制造等行业的迅速发展 油漆 粘结剂等使用越来越广泛 特别在喷漆过程中产生的游离漆雾和油漆所挥发出来的苯系物有机废气直接影响环境和人们的身体健康 这些苯系物若直接排放到大气中将造成严重的污染问题 特别是苯的毒性较大 对中枢神经系统和造血系统有危害作用 苯蒸气经呼吸道吸入肺内 迅速经肺泡的气体交换系统进入血液 最后到达肝脏被氧化成酚 醌醇和苯二酚 这些中间产物进一步与肝中的葡萄糖醛酸结合成无毒的有机物 随尿排出体外 但是 如果工作环境中的这类有毒物浓度过高 人体解毒 排毒过程不能顺利进行 苯及其氧化物蓄积于脂肪较多的组织中 引起造血细胞中期成熟障碍和中枢神经系统功能絮乱等 即导致中毒 而且 长期接触苯类溶剂会刺激皮肤粘膜 产生病变 被认为是一种致癌物质 二 环境保护 国内外对治理挥发性有机废气的研究有大量的报道 主要的治理有 1 冷凝回收法冷凝法是通过用一些冷却介质如冷水 冰加盐 冷冻机等采用降温的方法把废气中的有害成分从气体中分离出来 使之凝结成液体再回收使用 冷却剂的选用 视要求的最低温度而定 水是最常用的冷却剂 但在室温条件下不是最有效的冷却剂 若要求较高的VOC去除率 则可采用盐水 冷却温度为4 4 34 或CFC 冷却温度为 34 4 68 0 作冷却剂较为合适 该方法的主要优点 可以回收产品 不增加液体 固体的排放量 主要缺点 应用面窄 只适用于处理较高浓度的VOC的物流 特别适用于废气浓度在10000ppm以上的有机蒸汽 若回收的产品无使用价值时 还需进行二次处理 从而增加处理费用 二 环境保护 2 液体吸收法液体吸收法在化工生产中比较常用的方法之一 该方法是根据挥发性有机物相似极性互溶原理选择吸收液 一般选用水加表面活性剂或选用其它非极性液体把废气中的有害成分吸收下来的一种净化方法 针对废气中所含有害成分不同 则所选用的吸收液也不同 例如 有机非极性废气 可采用在水中加入既有亲水基 易于与水结合 又有亲油基 易于同有机分子结合 的组分 这种物质为表面活性物质 月桂酸钠就是这种物质 它具有CH2CH2 CH2CH2 石腊基 亲油基 同时 它又具有 COONa 亲水基 从热力学的表面活性剂的吸附原理可知 当表面活性物质的浓度增加时会自动富集在溶液表面上 且亲油基向上 易于从气相中吸附有机物 当表面活性物质浓度达到表面饱和时 会在溶液本体中形成胶束 即水包油型 而有机非极性物质被包裹在胶束中产生增溶作用 但是 这种增溶作用是有限度的 此方法适用于浓度较小的废气物流 二 环境保护 3 固体吸附法固体吸附法又称作气体过滤法 通常采用固体吸附剂对空气中的有毒成分进行吸附 这种吸附剂的共同特点既具有特殊的内部结构和很大的比表面积 又具有吸附活性 使用时配装气流动力的风机 把含有挥发性有机废气的气流强迫通过固体吸附剂 使有毒成分被吸附在固体的表面上 吸附达到饱和之后可用热空气吹扫进行浓缩回收 或更换吸附剂 或尾气采取催化燃烧 生物降解等进一步处理 以达到净化目的 二 环境保护 4 热力焚烧法热力焚烧法是将有机废气与油或燃料气混合后在高温下完全燃烧 以达到净化的目的 系统主要由燃烧室 燃烧器 辅助燃料供应设施 温度控制设施和热回收设施构成 热力焚烧的工艺过程为 加入辅助燃料 使含VOCs的物料进行焚烧 使VOCs转化为CO2和H2O 燃烧室内的温度通常为650 8700 VOCs物料在燃烧室内的停留时间为0 5 1 0S VOCs的除去率可达95 以上 热力焚烧法的主要优点是 结构简单 维修少 不产生废液和固体废物 且热力焚烧过程中将产生大量热量可以回收利用 缺点是操作费用高 有回火及火灾的可能性 二 环境保护 5 膜处理技术处理VOCs的膜处理技术可分为有机疏水物质膜选择性渗透处理方法和生物膜降解处理方法 该方法在美国已有成熟的技术 数十家企业已采用该方法对VOCs进行处理 该方法的原理如图1 1所示 膜分离法工艺流程Processofmembranesystems 二 环境保护 膜蒸汽分离过程包括两步 一步是压缩 冷凝过程 由空气带入VOCs气体进入压缩机 将被压缩的混合气体送入冷凝器 冷凝的蒸汽直接进入冷凝罐储存 用于再循环或再利用 没被冷凝的混合气通过有机膜 使之分离成两部分 被过滤下来的包含有机物的蒸汽重新返回压缩机再处理 另一部分过滤气体可排放 该方法是处理VOCs非常有效的方法 但是 年运转费用较高 二 环境保护 6 生物膜处理生物膜处理污水已有100多年历史 但是生物膜法应用于VOCs废气处理的历史比较短 采用好氧微生物净化工业废气中对低浓度挥发性有机污染物可以取得良好的净化效果 例如 德国某工厂用生物法吸收净化油漆喷涂车间的有机废气 去除率可高达99 生物法处理有机废气在国外比较广泛的研究是从80年代初开始 而我国开始研究用于化工厂有机废气的净化还是近几年的新动态 二 环境保护 生物膜处理VOCs工艺原理ThetreatmentVOCsprocessusingbiologicalfilter 生物膜处理在生物滤池中填充具有吸附性的滤料 如灰泥 泥炭 土壤或活性炭等物质 在微生物