4-绿色化学与化工技术简介课件

绿色化学和化学技术简介，上海师范大学生命与环境学院郭俊冠2012年10月1日简介，现代世界十大环境问题：大气污染臭氧层破坏全球变暖海洋污染淡水资源紧张，污染土地退化和荒漠化森林锐减生物多样性减少环境污染有毒化学物质和危险废物减少，其中至少有7个问题与化学和化学产品等化学物质污染直接相关！化学化学化学化学为我们提供了丰富的物质，同时对环境造成了巨大的破坏。我国的化学工业经过多年的发展，已经形成了门比较完整、基本满足国民经济和相关工业发展需要的化学工业制度。过去50多年来，化工产品、产量大幅度增加，品种不断增加，化工产品结构不断改善，化工生产和建设取得了巨大成就。目前我国有10多种主要化学产品的产量居世界第一，其中氮肥、氨、染料产量分别居世界第一。肥料、磷肥、农药、纯碱、硫酸、烧碱产值分别居世界第二位；原油加工能力、乙烯、合成橡胶产量居世界第四位。合成树脂，合成纤维能力和产量，部分合成单体的生产能力和产量均居世界第一。改革开放以来，随着中国化工产品进出口贸易额的快速增长，我国化工产业与世界经济的联系越来越紧密，在满足人民生活水平增加的需求增长、加快我国化工产业和产业发展等方面发挥了巨大的推动作用，取得了显着的成果。同时，中国化学工业的现状，也要看到化学产品结构不合理、技术含量低、支持农业化学的问题和以传统基础化学为主的化学工业，高新技术和精细化工起步较晚，大部分还没有形成产业；企业规模小，生产达不到经济规模。相当多的化学产品的生产技术和原料路线比较落后，很多人还停留在20世纪50和60年代的水平上。企业经营观念和意识薄弱，经营体系臃肿，部门臃肿，结构繁杂，效率低下。综上所述，我国化学产业与国外先进水平有很大差距。化工企业面临的威胁有两种。因失去对国内关税限制和进口货物数量限制等保护措施，将受到外国产品的冲击。外国国有企业与外国企业几乎是同一个国际市场。国际市场上更加注重环境保护、减少污染、节约能源、合理使用自然资源。许多国家将进口产品被本国承认的环境标志作为市场准入的前提，发展中国家产品为了进入发达国家市场必须申请才能获得“绿色通行证”。作为新的非关税壁垒，环境壁垒悄然兴起。如果我国化工企业不能克服环境障碍，通过环保认证，最终只能脱离国际竞争的舞台。1.1环境治理的历史回顾40-50年代稀释废物1960-70年代废物后处理1990年代来源的污染源清除，绿色化学环境无害化学环境友好化学3354清洁化学污染源清除来源防止污染的国策1996年设定“总统绿色化学挑战奖”，日本制定“21世纪重建绿色地球”新阳光计划“地球革新技术研究所”，各国于1991年制定“环境的研究计划”，英国2000年制定“泽乌odsalters环境奖”“荷兰”清洁生产手册” 自1991年以来，绿色化学由美国化学会(ACS)创造，成为美国EPA (EPA)的中心口号。1995年，美国前总统克林顿从1996年开始在华盛顿国家科学院设立了“绿色化学挑战奖”，每年颁发化学领域唯一的总统级科学奖。1999年，世界上第一本污染防治条例杂志诞生了。2000年美国化学会出版了第一本绿色化学教科书。中国制定了“通过科学和教育振兴国家”和可持续发展战略，并编制了绿色化学的决议，该决议在1993年世界环境与发展大会后郑重宣布了可持续发展道路。1995年，中国科学院化学系组织了中国21世纪议程学者咨询活动。1997年国家自然科学基金委员会“95”主要项目：环境友好型石油化学催化化学和反应工程。1997年5月， 象山科学会议第72次研讨会：科学挑战绿色化学1998年合肥第一届国际绿色化学高级研讨会1999年北京第十六届九华山科学论坛“绿色化学的基本科学问题”2000年科技部绿色化学与技术推进化工生产可持续发展的途径入港3354石油炼化和基本有机化学基础研究没有特定的商业目的，为推进科学知识而进行的原始研究。这可能是提案者可能对当前或未来感兴趣的领域。应用研究为特定产品或技术发现新科学知识的研究。开发一系列与将研究结果或其他一般科学知识转移到产品或工序所产生的非一般问题相关的技术活动。、1.2绿色化学的兴起，使环境保护合理利用资源，降低成本，减少环境监测费用，减少废物处理费用，人身医疗费用，社区安全保险费用等可持续发展：在不危及后代需求的情况下满足现代人的要求。目标，绿色化学：充分利用能源，尽可能减少杂质的生成，或优化杂质的生成，避免使用有毒有害溶剂和反应物，如有可能，可再生原料。手段重视防止源头污染，而不是以后的治疗。1.3绿色化学的主要内容，1.3绿色化学的主要内容，为积极开发医药等精细化工产品的“原子经济”反应，实现废物“零排放”大规模有机化学产品的第二代绿色生产技术，已广泛应用于利用超临界CO2、有害溶剂推广和应用可再生资源生产大规模有机化学产品，而不是开发毒性。超清洁生物柴油生产的永恒主题环保产品回收废塑料、纤维等物质的设计、生产和使用，“闭路循环”的道路，1.4绿色化学定义21世纪化学工业可持续发展的道路：使用化学原理减少或消除化学产品设计、生产和应用中有害物质的使用和生成，研发或尽可能少的环境副作用、技术和应用目的：充分利用原材料和能源，在所有阶段寻找清洁、未污染的反应途径和工序。绿色化学的主要特征：化学反应的清洁性；化学反应的原子经济；化学反应技术的可持续性；化学生产的可持续性；化学过程的周期性和闭路。绿色化学作为一个新的跨学科领域，成为当今国际化学科学研究的热点和前沿。对绿色化学的几点认识：科学观点：传统化学思维方式的更新和发展；环境观点：减少或消除源头的污染。经济观点：合理利用资源和能源，降低生产成本，满足经济可持续发展的要求。，r . t . anastas和J.C.Waner提出了绿色化学的12个原则，1，预防废物产生，而不是生成后处理；2、合成方法应设计为将所有起始物质嵌入最终产物；3、尽量在反应中使用和生成的物质对健康和环境几乎没有无毒或毒性；4、化学制品应设计为在保护原功效的同时，将无毒或毒性降至最低；5、溶剂、分离试剂等辅助物质尽量不使用，如果必须使用，也要使用无毒物质；6、能源消耗越少越好，必须能接受环境和经济考虑；2绿色化学原理，7，技术经济尽可能，使用的原材料应可再生；8、应尽量避免不必要的衍生过程，如组保护、物理和化学过程的临时修改。9、尽量使用选择性高的催化剂，而不是提高反应物的成分比。10、设计化学产品时，应考虑该物质完成自身功能后不再停留在环境中，可以无毒降解的产品；11、分析方法还需要进一步的研究和开发，以便进行实时、现场监控，防止有害物质的形成；12、化学过程中使用的物质或物质形式应考虑将实验事故的潜在危险降至最低，例如气体释放、爆炸、火灾等。绿色化学研究领域图，原料绿色，催化剂绿色，溶剂绿色，产品绿色，化学反应绿色，2.1污染防治优于污染控制，防止污染的重要措施原料绿色(1)替代光气体的绿色原料光气：COCl2，空气中允许的最大含量为0.1 g重要的有机中间体。碳酸二甲酯(DMC):具有良好可溶性/高蒸发温度等特性的绿色化学物质用作涂料行业的溶剂。许多衍生物具有独特的性质，其化学反应的副产品主要是甲醇和二氧化碳，因此在绿色化学生产中有很广泛的应用前景。DMC的合成方法：a .光气法：特点：使用剧毒原料的光气，工艺复杂，生产周期长，消耗大量烧碱，产生腐蚀严重的盐酸气体的污染环境，腐蚀设备，多胎型工艺。b .甲醇氧化羰基化法以CH3OH，CO，O2为原料，原料便宜，易于获取。液相法：特点：以光气和甲醇为原料，消除了生产DMC的旧工艺，实现了原料绿色化。气相法：该方法采用催化剂在活性炭上吸附PdCl2/CuCl2。特点：与固定床反应器相比，不分离产物和催化剂的装置，与设备投资减少的液相法相比；但是产生亚硝酸盐的反应是快速发热反应，容易爆炸，引入有毒的NO。c .其他合成方法，华东理工大学，(2)绿色原料代替氢氟酸，氢氟酸(HCN):剧毒无色液体或气体，易挥发的口服致死量约为0.10.3g，生产工业上丙烯腈、丙烯酸树脂等重要有机化学原料或己烯腈等农业上用于制造农药中间体和杀虫剂。a .合成己二胺以制造尼龙-66的传统方法是通过丁二烯和氢氰酸反应生成己二胺。新开发的工艺采用丁二烯氢甲酰化和胺化方法。首先将丁二烯氢甲酰化制成己基二醛，然后己烷和氨反应，氢化己基二胺。b .德国BASF成功开发了以丙醛和甲醛为原料生产甲基丙烯酸的技术，消除了以毒性高的氰尿酸为原料的旧工艺。c .美国孟山都从无毒无害的乙二醇胺原料开始，经过催化脱氢，开发了安全生产氨基二乙酸钠的新工艺，通过避免使用毒性高的氰尿酸原料，获得了1996年美国“总统绿色化学挑战赛奖”的变更合成路线奖。，(3)用其他化学原料绿色化a .石油分解用煤气代替氢生产氨是用途广泛的化学原料的传统生产方法：以煤气为原料，教师产出水煤气，缺点：水煤气有毒，转化率低。目前，石油分解取代了氢气生产，取代了水煤气，大大提高了生产效率。b .过氧化氢取代氯/硫氧化剂和漂白剂化学生产的很多产品需要漂白，很多反应需要强氧化剂，如水的消毒等特定物质氧化。H2O2提供o作为几乎理想的氧化剂，并且自身成为水。Collins教授为了提高H2O2的氧化能力，开发了TANL activator，1999年在美国“绿色化学挑战奖”上获得了学术奖。2.2化学反应的原子经济，B.M.Trost教授建议使用新的标准来评价化学过程，即选择性和原子经济的概念。原子经济:请想想，产品中有多少原子进入化学反应。这个标准应该最大限度地节约不可再生的原料资源，最大限度地减少废物排放。(1)原子经济性1991年，B.M.Trost教授提出了原子经济性概念，认为合成反应应充分利用原材料分子中的每个原子，将其完全结合到目的产物的分子中。特点：最大限度地利用原料，最大限度地减少废物排放。(2)原子利用率：原子经济测量。(3) e-factor Sheldon提出了e-factor概念，即每公斤产品生产产生的废物kg的数量。原子利用率=目标产品的摩尔质量/化学过程中所有产品的摩尔质量之和，E-因子=废弃物的质量(kg)/目标产品的质量(kg)，其中废弃物表示除了预期产品外的所有副产品，包括反应后处理过程中产生的无机盐。减少废物和最小化E-因子的有效方法是改变经典化学合成中中和反应后处理的常规方法。说明其他化学产业的E因子，产品越精细，E因子就越大。这反映了在这些行业中大量利用化学计量试剂和分离的多阶段合成。e值是反应中产生损失的实际量，包括溶剂的损失、实际反应中酸和碱的使用、工艺消耗和原则上的能量消耗(原子效率和理论上的类似)。e值推导自购买原材料的数量/销售产品的数量，推导自质量保留。E=(原材料数量-产品数量)/产品数量e值是影响e值的因素，是快速表示e值严重性的方法。(4)反应类型和原子的经济原子利用率可以衡量所有反应物转化为最终产品的程度。分子重排反应：100%原子经济反应，因为通过原子重排产生新的分子，所有反应物都与产品结合。附加反应：例如回流、烯烃的溴化等原子经济反应，将反应物添加到最终产物中，最大限度地利用原料中的原子。取代反应：取代的组是最终产物中不需要的废物，减少了反应的原子经济性。消除反应：原子经济最低的反应。产品中所有未转换的试剂和精制的反应都成为废料。原子利用过程：当前反应与新反应的比较：当前工艺的一般反应，原子利用=29%E-影响=2.5，2.3无害化学合成通过化学和化学技术自身改善实现污染防止，因此在设计化学合成方法时，应尽量减少化学合成中使用和产生的物质中毒，实现绿色合成，实现健康和环境安全的目标。无害化学合成的理想合成是减少毒性的两种方法：减少化学物质的暴露，减少化学物质的危险。荷兰有机化学家谢尔顿提出了环境上(EQ)概念，认为在化学产品生产过程中产生的废物量、物理特性、化学性质及环境内毒性等综合评价指标的基础上，测量合成反应对环境的影响。e: E:E-因素，问：环境中废物行为下的环境亲和力。，EQ值的相对大小可作为化学合成、合成路径选择和生产过程的重要因素。Wender教授认为，理想的合成意味着将简单、安全、环保、有效地使用资源、便宜、容易获取的开始原料迅速、定量地转换为自然或设计的目标分子。绿色合成研究方向：清洁合成，使用无毒原料和生产无毒产品。采用无毒无害的原料的传统原料。开始以煤为化学原料，然后是应用石油的时代。石油丰富容易化学工业发展迅速，已成为化学工业的主导原料。20世纪，石油化学工业为提高人民的