第十一章高分子材料与环境

1、1浙江大学化工系申屠 宝卿S2014.4.16第十一章 高分子材料与环境2 经济发展、科技进步、生活水平提高离不开高分子材料经济发展、科技进步、生活水平提高离不开高分子材料环境问题: 高分子材料在高分子材料在生产生产、加工加工、贮运贮运、使用使用、废弃物废弃物处理处理中可产生中可产生有害物有害物，危害环境和人体健康，危害环境和人体健康资源问题: 过程工业资源利用效率低过程工业资源利用效率低 仅十几仅十几% % 资源不资源不可再生性可再生性 催化剂催化剂 降低资源能源消耗降低资源能源消耗未来高分子材料工业未来高分子材料工业 工艺过程工艺过程 环境协调型工艺环境协调型工艺 产品产品 环境协调型产品

2、环境协调型产品 提倡提倡“少即多少即多” 化学品用量少、效率高化学品用量少、效率高; ; 原料能源消耗原料能源消耗少少; ; 生产效率高生产效率高; ; 前言前言3地球环境问题地球环境问题v 气圈：气圈：COCO2 2使地球温暖化使地球温暖化 氟利昂使臭氧层破坏氟利昂使臭氧层破坏 SOSO2 2等酸性雨等酸性雨 有机溶剂、汽油等挥发产生的有机蒸汽有机溶剂、汽油等挥发产生的有机蒸汽( (VOC) VOC) v 地圈：废弃高分子材料等废弃物地圈：废弃高分子材料等废弃物v 水圈：工业、农业、家庭排水等引起的水质污染水圈：工业、农业、家庭排水等引起的水质污染4图图 各种各样的环境污染各种各样的环境污染

3、5高分子材料与环境高分子材料与环境 高分子材料高分子材料制备制备过程中的环境问题过程中的环境问题 高分子材料高分子材料使用使用过程中的污染过程中的污染 废弃高分子材料的废弃高分子材料的处理处理 白色污染白色污染 环境荷尔蒙：高分子材料中含有的超微量能引起环境荷尔蒙：高分子材料中含有的超微量能引起 内分泌混乱的物质内分泌混乱的物质 6环境问题的对策环境问题的对策v 高分子膜用于高分子膜用于COCO2 2的回收的回收v 离子交换树脂用于水处理离子交换树脂用于水处理v 废弃高分子材料的回收综合利用废弃高分子材料的回收综合利用v 生物降解高分子生物降解高分子v 用绿色化学方法制备高分子材料用绿色化学方

4、法制备高分子材料7地球温暖化和高分子地球温暖化和高分子 地球温暖化地球温暖化 对世界能源政策、环境政策产生重要影响。对世界能源政策、环境政策产生重要影响。v 控制控制COCO2 2、CHCH4 4、N N2 2O O等的排放等的排放v 寻找代替氟利昂的新材料寻找代替氟利昂的新材料ne-O2H+H2AnodeElectrolyte CathodeVH+H+e-e-H2OFuel Cell8控制温室气体排放的措施控制温室气体排放的措施v 节能节能v 大量使用绿色能源大量使用绿色能源v 对温室气体的固定、分离回收对温室气体的固定、分离回收v 创新的环境技术开发创新的环境技术开发v 下一代新能源的开发

5、下一代新能源的开发9高分子材料的再生循环利用高分子材料的再生循环利用 目前高分子材料的目前高分子材料的再资源化率低再资源化率低，废纸、铝罐达，废纸、铝罐达50%50%。 废弃高分子材料的废弃高分子材料的现状现状 城市生活垃圾城市生活垃圾 1.2 1.2亿吨亿吨/ /年以上年以上 , , 其中废弃高分子材料占其中废弃高分子材料占2 2-4-4，即，即240240480480万吨。万吨。 v 废弃高分子材料引起的废弃高分子材料引起的环境和社会问题环境和社会问题 经济损失：高达经济损失：高达 2000 2000亿元亿元/ /年，年， 其中，生态破坏：其中，生态破坏：10001000亿元，亿元， 因污

6、染粮食减产：因污染粮食减产：12801280万吨，万吨， 受农药严重污染的粮食：受农药严重污染的粮食：30003000万吨。万吨。 据世界银行公布，据世界银行公布，19951995年中国因污染造成年中国因污染造成8080万人过早死亡，万人过早死亡，740740万人患支气管炎，国家花费的医疗费用达万人患支气管炎，国家花费的医疗费用达340340亿元，估计到亿元，估计到20202020年将花费年将花费10401040亿元亿元 。10v 废弃高分子材料对农业和生物的危害废弃高分子材料对农业和生物的危害 以农用和包装材料为主以农用和包装材料为主 以废弃农膜为主，包括地膜、棚膜、果蔬保鲜膜及农灌防以废弃

7、农膜为主，包括地膜、棚膜、果蔬保鲜膜及农灌防渗膜等。使用寿命通常是渗膜等。使用寿命通常是1 12 2年，在土壤中约年，在土壤中约300300400400年才能完全降解。年才能完全降解。 v 废弃高分子材料对动物的危害废弃高分子材料对动物的危害 塑料废弃物对塑料废弃物对海洋生物海洋生物造成的危害是石油溢漏危害性的造成的危害是石油溢漏危害性的4 4倍，倍， 高分子材料划伤食道，造成胃部溃疡等疾患。高分子材料划伤食道，造成胃部溃疡等疾患。 v 废弃高分子材料对人体的危害废弃高分子材料对人体的危害 造成火灾事故，塑料废弃物的焚烧产生有害的气体，造成火灾事故，塑料废弃物的焚烧产生有害的气体， 有毒气体能

8、使兽类和鸟类出现畸形和死亡。有毒气体能使兽类和鸟类出现畸形和死亡。11高分子材料的再生循环利用 高分子材料工业应贯彻高分子材料工业应贯彻3R3R原则原则 减量化原则减量化原则(Reduce)(Reduce) 要求用要求用较少的原料和能源较少的原料和能源投入投入, ,达到既定的生产目的或消费达到既定的生产目的或消费, ,以便从经济生活的源头就注意节约资源和减少污染。以便从经济生活的源头就注意节约资源和减少污染。 再使用原则再使用原则(Reuse) (Reuse) 要求产品和包装以初始形式使用和反复使用要求产品和包装以初始形式使用和反复使用, ,减少一次性用减少一次性用品品, ,延长产品使用寿命延

9、长产品使用寿命 再循环原则再循环原则(Recycle)(Recycle) 生产出来的制品在完成其使用功能后能重新变成可以利用的生产出来的制品在完成其使用功能后能重新变成可以利用的资源资源, ,而不是不可恢复的垃圾而不是不可恢复的垃圾. .生产一件制品只是完成了一半工作生产一件制品只是完成了一半工作, ,关键是应设计好在制品达到使用寿命后如何处理关键是应设计好在制品达到使用寿命后如何处理. .生产者必须承生产者必须承担起解决废弃物的责任担起解决废弃物的责任. .12 废弃高分子材料的循环利用方法废弃高分子材料的循环利用方法v 材料的循环利用：收集单一的塑料，重新造粒；材料的循环利用：收集单一的塑

10、料，重新造粒； 物性相似的塑料熔融成型加工的复合再生法物性相似的塑料熔融成型加工的复合再生法v SamalSamal循环利用：废弃高分子材料等燃烧，以热能形式回收循环利用：废弃高分子材料等燃烧，以热能形式回收v 化学循环利用：废塑料等高温化学分解回收单体、溶剂、油化学循环利用：废塑料等高温化学分解回收单体、溶剂、油等原料等原料v 重复使用：废塑料洗净再使用的方法，从能源及成本考虑重复使用：废塑料洗净再使用的方法，从能源及成本考虑 都是最优的循环利用方法都是最优的循环利用方法13废塑料的分离方法废塑料的分离方法14废塑料的再生利用方法废塑料的再生利用方法聚聚15废塑料的高温裂解工艺流程废塑料的高

11、温裂解工艺流程16废塑料的催化裂解工艺流程废塑料的催化裂解工艺流程17表表 塑料粉末、煤粉和重油燃烧实验结果塑料粉末、煤粉和重油燃烧实验结果18表表 高分子材料循环利用和回收方法高分子材料循环利用和回收方法废弃高分子材料的种类废弃高分子材料的种类 物理方法物理方法 化学方法化学方法 热能再生热能再生 单一高分子单一高分子 + + + + + + 高分子混合物高分子混合物 + + + + + +含有纸类的高分子混合物含有纸类的高分子混合物 - - + - - + 垃圾中的高分子垃圾中的高分子 - - + - - +-：不推荐，+：适合，+：推荐方法19生物降解高分子生物降解高分子 资源循环利用推

12、进的同时，希望发展环境低负荷型材料。资源循环利用推进的同时，希望发展环境低负荷型材料。 生物降解高分子：能被自然界中微生物分解的高分子生物降解高分子：能被自然界中微生物分解的高分子高分子材料材料降解分解后生成物微生物代谢分解菌种H2O、CO2、CH420生物分解性高分子的种类生物分解性高分子的种类v 微生物制造的高分子：如聚丁酸酯（微生物制造的高分子：如聚丁酸酯（PHBPHB）v 来自动植物的高分子：纤维素、虾和螃蟹等的壳来自动植物的高分子：纤维素、虾和螃蟹等的壳v 化学合成的高分子：聚醚等化学合成的高分子：聚醚等21微生物制造的高分子微生物制造的高分子代表性的聚酯共聚物22 P(3HB-4H

13、B) 与通用高分子材料的性能比较与通用高分子材料的性能比较材质 抗张强度kg/cm2 伸长率% 熔点P(3HB-4HB) 100-300 50-500 140-170PE 125 850 120PP 340 750 160 随随4 4HBHB含量增加，含量增加，P(3HB-4HB)P(3HB-4HB) 的柔软性增加的柔软性增加 根据填埋情况根据填埋情况P(3HB-4HB)P(3HB-4HB) 可在一个月至数个月内分解可在一个月至数个月内分解23 代表性的多糖类物质结构代表性的多糖类物质结构纤维素24从动植物中来的高分子从动植物中来的高分子 纤维素：地球上存在最多的高分子，分子间存在氢键，纤维素

14、：地球上存在最多的高分子，分子间存在氢键， 结晶度高，加工困难。结晶度高，加工困难。 吓、螃蟹壳：天然多糖，不溶、不熔吓、螃蟹壳：天然多糖，不溶、不熔可溶性生物分解高分子25化学合成生物降解高分子化学合成生物降解高分子 合成的生物降解高分子加工性优合成的生物降解高分子加工性优 种类种类v 脂肪族聚酯：聚乳酸脂肪族聚酯：聚乳酸v 脂肪族聚醚脂肪族聚醚v 聚乙烯醇聚乙烯醇 成本：是普通高分子的数倍到数十倍成本：是普通高分子的数倍到数十倍 实际条件下的分解程度及对环境的影响程度实际条件下的分解程度及对环境的影响程度26开环聚合法开环聚合法直接合成法直接合成法脂肪族聚酯脂肪族聚酯的合成的合成27用绿色

15、化学方法制备高分子材料绿色化学绿色化学：用化学的技术和方法去减少或消灭那些：用化学的技术和方法去减少或消灭那些对人类健康、社区安全、生态环境有害的原料、催对人类健康、社区安全、生态环境有害的原料、催化剂、溶剂和试剂、产物、副产物等的使用和产生。化剂、溶剂和试剂、产物、副产物等的使用和产生。 1996 1996年美国设立了总统绿色化学挑战奖。年美国设立了总统绿色化学挑战奖。 日本制定了新阳光计划日本制定了新阳光计划2829Oxidative PolymerizationSynthesis of Aromatic PolymersGreen PolymerizationRRXHRRXcatO2+H

16、2OX = O, SR = H, Alkyln原子经济的化学反应原子经济的化学反应30CuCl, pyridineO2, toluenennOOHA. S. Hay, J. Am. Chem. Soc. 1959, 81, 6335.1、溶剂回收复杂，污染环境2、防爆反应器，成本高存在的问题:有机溶剂中氧化聚合制备PPO31K. Saito, T. Tago, T. Masuyama, H. Nishide, Green Chemistry., 2003, 5, 535.水介质中氧化聚合制备PPO单体 (DMP), NaOH, 氧化剂或催化剂, 表面活性剂，氧气polymerization32

17、 未解决的问题未解决的问题催化效率低（催化效率低（ 单体单体/催化剂催化剂=10=10）开发新型开发新型催化剂催化剂水溶性树形分子水溶性树形分子33水和高分子水和高分子 2121世纪地球环境的重要课题世纪地球环境的重要课题水水. . 地球表面地球表面70%70%水，但淡水仅占水，但淡水仅占3%.3%. 水资源不足的对策水资源不足的对策：海水淡化：海水淡化v 高分子逆浸透膜高分子逆浸透膜：海水的：海水的60%60%变成淡水变成淡水 海外数十万海外数十万m m3 3/ /日规模日规模 水质污染水质污染 含卤素的有机物、农药、施肥后剩余的农药、含氮化合物含卤素的有机物、农药、施肥后剩余的农药、含氮化合物34使用高分子材料的水处理方法：使用高分子材料的水处理方法： 膜分离法膜分离法 逆浸透膜和纳米过滤膜可分离农药类、含氮化合物等逆浸透膜和纳米过滤膜可分离农药类、含氮化合物等 优点：节省能源优点：节省能源 缺点：膜表面和孔内堆积处理对象物质，使处理量下降缺点：膜表面和孔内堆积处理对象物质，使处理量下降 离子交换树脂法离子交换树脂法 电镀废液的回收和精制、锅炉给水的软化、超纯水的制造电镀废液的回收和精制、