绿色化学及化工技术

信息检索与利用 课程综合大作业 绿色化学及化工技术绿色化学及化工技术 摘要摘要 介绍了当今世界绿色化学及化工技术的趋势及我国化工发展和产业 化现状 在此基础上讨论了在我国发展绿色化工的重要性 并通过我国近年来 的经济发展 分析其在我国的市场概况 关键词关键词 绿色化学技术 发展趋势 市场 Green chemistry and Chemical Technology Abstract introduced the world of green chemistry and chemical technology trend and development of our country chemical industry and industrialization current situation on the basis of discussion in China s development of green chemical importance and by our country in recent years economic development analysis of its in China market overview Key words green chemical technology development trend and market 引言引言 作为中心科学的化学及其生产技术 在过去的 20 世纪起到了推动人类进 步的决定性作用 目前 化学已经渗透到人类生产 生活和国民经济的各个领 域 20 世纪 90 年代前六年新合成和发现的化合物的数量 1000 万种 就相当 于有历史记载以来到 1990 年人类所发现和合成的总量 在化学科学和化学知识 为人类带来无数便利和希望的同时 它也带给了人类黑色的污水 浓浓的烟尘 形形色色的废弃物 还有看不见的毒物 1 1 绿色化学及化工技术发展概况和最新发展趋势绿色化学及化工技术发展概况和最新发展趋势 1 1 11 1 1 国内外绿色化学及化工技术的发展概况国内外绿色化学及化工技术的发展概况 在美国 石油炼制和化学工业是销售额最大的两个工业部门 也是少数几个 产生贸易顺差的工业部门 它们在国民经济中占有重要比重 但是 传统的石 油和化学工业曾对该国生态环境和人们身体健康造成过严重的危害 例如著名 的洛杉矶烟雾 多诺拉镇烟雾 勒甫河 LoveCana1 事件等 由此唤起了人们对 信息检索与利用 课程综合大作业 健康 社区安全和环境保护的重视 并促使观念上的更新 1990 年美国颁布的 PPA 将污染的防止确立为国策 所谓污染防止就是使得废物不再产生 不再有 废物处理的问题 该法案条文中第一次出现了 绿色化学 一词 其定义为采 用最少的资源和能源消耗 并产生最小的排放的工艺过程 1991 年美国环保局 开始将绿色化学纳入其工作的中心 1 1 21 1 2 绿色化学及化工技术的发展趋势绿色化学及化工技术的发展趋势 在即将进入 21 世纪之际 世界各国都在为未来经济与社会的持续发展制定发展 战略 我国也制定了 科教兴国 和 可持续发展 战略 并在 1993 年世界环 境与发展大会之后 编制了 中国 21 世纪议程 的政府白皮书 郑重声明了走 经济与社会协调发展道路的决心 面对国际上兴起的绿色化学与清洁生产技术 浪潮 有关部门和机构也开展了相应的行动 1995 年中国科学院化学部组织了 绿色化学与技术一推进化工生产可持续发展的途径 院士咨询活动 对国内 外绿色化学的现状与发展趋势进行了大量调研 并结合国内情况 提出了发展 绿色化学与技术 消灭和减少环境污染源的七条建议 并 建议国家科技部组 织调研 将绿色化学与技术研究工作列入 九五 基础研究规划 1997 年由国 家自然科学基金委和中国石油化工总公司联合资助的 九五 重大基础研究项 目 环境友好石油化工催化化学与化学反应工程 正式启动 项目涉及我国石 油化工的一些重要过程 技导向基础性研究 技术可行性的初步探索和技术可 行与经济合理性的重点探索三个层次 开展采用无毒无害原料 催化剂和 原 子经济 反应等新技术的探索研究 为解决现有生产工艺存在的环境问题奠定 基础 同年 为实施科教兴国战略 实现到 2010 年以及 21 世纪中叶我国经济 科技和社会发展的宏伟目标 确保科技自身发展能力不断增强 迎接新世纪挑 战的迫切需要而制定的 国家重点基础研究发展规划 亦将绿色化学的基础研 究项目作为支持的重要方向之一 国内有关单位已经积极组织申请立项 此外 一些院校也纷纷成立了绿色化学研究机构 如中国科学技术大学绿色科技研究 与开发中心 四川大学绿色化学与技术研究中心等 1 21 2 绿色化学及化工技术的作用与意义绿色化学及化工技术的作用与意义 迄今为止 化学工业的绝大多数工艺都是 20 多年前开发的 当时的加工费用主 信息检索与利用 课程综合大作业 要包括原材料 能耗和劳动力的费用 近年来 由于化学工业向大气 水和土 壤等排放了大量有毒 有害的物质 以 1993 年为例 美国仅按 365 种有毒物质 排放估算 化学工业的排放量为 30 亿磅 因此 加工费用又增加了废物控制 处理和埋放 环保监测 达标 事故责任赔偿等费用 1992 年 美国化学工业 用于环保的费用为 1150 亿美元 清理已污染地区花去 7000 亿美元 1996 年美 国 Dupont 公司的化学品销售总额为 180 亿美元 环保费用为 10 亿美元 所以 从环保 经济和社会的要求看 化学工业不能再承担使用和产生有毒 有害物 质的费用 需要大力研究与开发从源头上减少和消除污染的绿色化学 1990 年美国颁布了污染防止法案 将污染防止确立为美国的国策 所谓污 染防止就是使得废物不再产生 不再有废物处理的问题 绿色化学正是实现污 染防止的基础和重要工具 1995 年 4 月美国副总统 Gore 宣布了国家环境技术战 略 其目标为 至 2020 年地球日时 将废弃物减少 40 50 每套装置消耗原 材料减少 20 25 1996 年美国设立了总统绿色化学挑战奖 这些政府行为都 极大地促进了绿色化学的蓬勃发展 另外 日本也制定了新阳光计划 在环境 技术的研究与开发领域 确定了环境无害制造技术 减少环境污染技术和二氧 化碳固定与利用技术等绿色化学的内容 总之 绿色化学的研究已成为国外企 业 政府和学术界的重要研究与开发方向 这对我国既是严峻的挑战 也是难 得的发展机遇 1 31 3 绿色化学及化工技术起点科技水平绿色化学及化工技术起点科技水平 绿色化学是近 10 年才产生和发展起来的 它涉及化学的有机合成 催化 生 物化学 分析化学等学科 内容广泛 美国化学界己把 化学的绿色化 作为 迈向 21 世纪化学进展的主要方向之一 美国 总统绿色化学挑战奖 则代表了 在绿色化学领域取得的最高水平和最新成果 该奖设立以来已连续 4 年颁发了 各奖项 从中可以看出绿色化学与技术的主要内容和发展动向 绿色化学的核心内容之一是采用 原子经济 反应 而反应的 原子经济 性 概念最早是由美国 Stanford 大学的 M M Trost 教授提出的 针对一般仅用 经济性来衡量工艺是否可行的传统作法 他明确指出应用一种新的标准来评估 化学工艺过程 即选择性和原子经济性两个概念 后者是考虑在化学反应中究 信息检索与利用 课程综合大作业 竟有多少原料的原子进入到了产品之中 这一标准既要求尽可能地节约那些一 般是不可再生的原料资源 又要求最大限度地减少废物排放 原子经济 的重 要性目前己被普遍承认 trost 因此获得了 1998 年度 总统化学挑战奖 的学 术奖 要实现反应的高原子经济性 就要通过开发新的反应途径 用催化反应 代替化学计量反应等手段 1997 年的变更合成路线奖的获得者 BCH 公司的工作 即是一个很好的例证 该公司开发了一种合成布洛芬的新工艺 布洛芬是一种 广泛使用的非类固醇类的镇静 止痛药物 传统生产工艺包括 6 步化学计量反 应 原子的有效利用率低于 40 新工艺采用 3 步催化反应 原子的有效利用 率达 80 如果考虑副产物乙酸的回收则达到 99 2 2 绿色化学及化工技术的研究内容和要重点解决的关绿色化学及化工技术的研究内容和要重点解决的关 键技术问题键技术问题 2 12 1 绿色化学及化工技术的研究内容绿色化学及化工技术的研究内容 绿色化学是设计研究没有或尽可能小的环境副作用的 并在技术上 经济上可 行的化学品和化学过程 它是实现污染预防的基本和重要的科学手段 绿色化 学研究的内容显然要包括化学反应 化工生产 过程的 4 个基本要素 一是研 究 变换 设计 选择对人类健康和环境友好的原材料或起始物 三是研究最 好的转换反应和催化剂 四是设计或重新设计对人类健康和环境更安全的目标 化合物 产品 2 22 2 该技术的特色及创新之处该技术的特色及创新之处 绿色化学是以绿色意识为指导 以最终杜绝化学污染源 实现绿色化学为最终 目标 绿色化学的最大特点在于它是在始端就采用实现污染预防的科学手段 因而过程和终端均为零排放和零污染 绿色化学的原则与范围 R T Anastas 和 J C Waner 曾提出绿色化学的 12 条原则 1 防止废物的生成比其生成后再处理更好 2 设计合成方法应使生产过程 中所采用的原料最大量地进入产品之中 3 设计合成方法时 只要可能 不论原料 中间产物和最终产品 均应对人体健康和环境无毒 无害 包括极小 毒性和无毒 4 化工产品设计时 必须使其具有高效的功能 同时也要减 少其毒性 5 应尽可能避免使用溶剂 分离试剂等助剂 如不可避免 也要 信息检索与利用 课程综合大作业 选用无毒无害的助剂 6 合成方法必须考虑过程中能耗对成本与环境的影响 应设法降低能耗 最好采用在常温常压下的合成方法 7 在技术可行和经 济合理的前提下 采用可再生资源代替消耗性资源 8 在可能的条件下 尽量不用不必要的衍生物 derivatization 如限制性基团 保护 去保护作 用 临时调变物理 化学工艺 9 合成方法中采用高选择性的催化剂比使用 化学计量 stoichiometric 助剂更优越 10 化工产品要设计成在其使用功能 终结后 它不会永存于环境中 要能分解成可降解的无害产物 l1 进一步发 展分析方法 对危险物质在生成前实行在线监测和控制 l2 要选择化学生产 过程的物质使化学意外事故 包括渗透 爆炸 火灾等 的危险性降低到最小程 度 这 12 条原则目前为国际化学界所公认 它也反映了近年来在绿色化学 领域中所开展的多方面的研究工作内容 同时也指明了未来发展绿色化学的方 向 3 3 市场分析市场分析 近年来 开发新的原子经济反应已成为绿色化学研究的热点之一 EniChem 6 公司采用钛硅分子筛催化剂 将环己酮 氨 过氧化氢反应 可 直接合成环己酮肟 取代由氨氧化制硝酸 硝酸离子在铂 钯贵金属催化剂上 用氢还原制备羟胺 羟胺再与环己酮反应合成环己酮肟的复杂技术路线 并已 实现工业化 另外 环氧丙烷是生产聚氨酯泡沫塑料的重要原料 传统上主要 采用二步反应的氯醇法 不仅使用危险的氯气 而且还产生大量含氯化钙的废 水 造成环境污染 国内外均在开发钛硅分子筛上催化氧化丙烯制环氧丙烷的 原子经济新方法 此外 针对钛硅分子筛催化反应体系 开发降低钛硅分子筛 合成成本的技术 开发与反应匹配的工艺和反应器仍是今后努力的方向 在已有的原子经济反应如烯烃氢甲酰化反应中 虽然反应已经是理想的 但是原用的油溶性均相铑络合催化剂与产品分离比较复杂 或者原用的钴催化 剂运转过程中仍有废催化剂产生 因此对这类原子经济反应的催化剂仍有改进 的余地 所以近年来开发水溶性均相络合物催化剂已成为一个重要的研究领域 7 由于水溶性均相络合物催化剂与油相产品分离比较容易 再加以水为溶 剂 避免了使用挥发性有机溶剂 所以开发水溶性均相络合催化剂也已成为国 信息检索与利用 课程综合大作业 际上的研究热点 除水溶性铑 膦络合物已成功用于丙烯氢甲酰化生产外 近年 来水溶性铑 膦 钌 膦 钯 膦络合物在加氢二聚 选择性加氢 C C 键偶联等 方面也已获得重大进展 C6 以上烯烃氢甲酰化制备高碳醛 醇的两相催化体系 的新技术国外正在积极研究 以上可见 对于已在工业上应用的原子经济反应 也还需要从环境保护和技术经济等方面继续研究 加以改进 4 4 结论结论 化学在为人类创造财富的同时 给人类也带来了危难 这也给公众造成了一种 错觉 以为是化学是造成环境污染的罪魁祸首 而每一门科学的发展史上都充 满着探索与进步 由于科学中的不确定性 化学家在研究过程中不可避免地会 合成出未知性质的化合物 只有通过经过长期应用和研究才能熟知其性质 这 时新物质可能已经对环境或人类生活造成了影响 严峻的现实迫使我们必须寻 找一条不破坏环境 不危害人类生存的可持续发展的道路 如今 冠以 绿色 的名词成为最时髦的名词 从绿色蔬菜 绿色产品到绿色科技 绿色化学 绿色 话题成为人类最具共识的话题 这种绿色意识 是人类重新审视自然的表现 传统观念中把人类和自然放在对立的位置