高分子和环境保护

高分子与环保人类与环境的关系环境与人类生存休戚有关，唇齿相依自然环境：指围绕人群空间，能够直接或间接影响人类生活、生产的一切自然形成的物质和能量的总体。重要有空气、土壤、水、动植物、岩石、矿物、太阳能等，是人类赖以生存的物质基础。其空间范畴覆盖距地表高度不到23km和海洋深度不到12km的生物圈，其中地表上下100m左右范畴空间是生物最集中和活跃的地方。Q：什么是自然环境？（5分）社会环境：由经济、政治、文化等要素构成，首先是人类精神文明和物质文明发展的标志，另首先又随人类文明演进而不停得以丰富和发展。人类是环境的产物，同时又是环境的改造者和影响者，因认识和科技水平限制，易对环境造成污染和破坏。三大问题：人口膨胀、资源短缺、环境恶化环境污染的种类有：水体（water）、大气（air）、土壤（soil）、生物（biological）、放射性（radioactive）、噪音（noise）、微波（microwave），其中长江的污染与前三者有关。Q：填空（五个空）固体废弃物是环境污染的重要来源工业废弃物（废渣、粉尘、污染等）有毒、易燃、腐蚀、反映、传统、放射，是环境污染的重要来源有毒、易燃、腐蚀、反映、传统、放射，是环境污染的重要来源都市垃圾（生活垃圾等）农畜物业废弃物放射性废弃物Q：为什么说固体废弃物是环境污染的重要来源？固体废弃物有哪些？1972年召开了“世界人类环境会议”（瑞典，被誉为环境史上的里程碑）1992年召开首届“世界与环境发展大会”（巴西，100多个国家元首和政府首脑出席）Q：填空世界环境日（6.5）是联合国大会于1972年拟定，它是为了纪念斯德哥尔摩人类环境会议的召开，同时也标志着联合国环境规划署的成立。中国在1985.6.5初次举办世界环境日活动，主题是“青年、人口、环境”1993年北京被选为举办庆祝活动的都市，主题是“打破贫穷与环境的恶性循环”高分子材料也称为聚合物材料，是以高分子化合物（高聚物）为基体，再配有其它添加剂（助剂）所构成的材料。高聚物是由千万个小分子化合物通过化学聚合反映，联合而成的大分子化合物。聚合物材料优点：可加工、可再生运用性、韧性好缺点：若用于高性能场合，其强度、硬度、耐高温性能局限性人类生存的环境离不开高分子材料高分子材料的本身特点：原料多、易于生产、性能优良、质轻、加工方便、产品美观、实用、不易腐蚀、易着色等。高分子材料的应用特点：可广泛应用于衣食住行及国民经济各领域，是无机材料、金属材料的抱负替代品。高分子材料的生产特点：规模大、产量高、品种齐全。Q：为什么人类生存的环境离不开高分子材料？高分子材料与环境的关系三大产业：塑料、橡胶、合成纤维高分子材料能够变化人类的生存环境高分子交换树脂，含有离子交换、选择、吸附、催化、脱水等功效，可用于污水和废水、硬水解决，去除放射性唔知等；高分子絮凝剂，可用于工业生产与生活得地下水、污水解决，多个污泥脱水的絮凝分离，提高水质和水资源的运用等；高吸水树脂，可用于工业废油与乳化油的水分分离，回收油类和贵重金属，出离工矿污水等；高分子分离膜，涉及微孔膜、超滤膜、反渗入膜、离子交换膜、液体分离膜，可用于污水解决，有机混合液体分离，海水淡化，回收废水中药剂，有毒气体分离等。Q：为什么高分子材料能够变化人类的生存环境？高分子材料制备时面临的环境问题原材料，如氯乙烯会引发急性或慢性中毒，是诱变和致癌物质，丙烯酸酯类单体啫易对眼睛和皮肤等有危害；采用有毒原料生产办法造成的问题，如采用界面缩聚生产PC（聚碳酸酯）的原来之一光气是剧毒有机物，以氰化法生产有机玻璃PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）的单体时采用氢氰酸，则为剧毒的化工原料；废液，如生产多个工程塑料使用的大量有机溶剂以及PVC悬浮聚合和ABS乳液聚合使用的大量水；废弃物，如树脂制备时落地料、齐聚物、过渡料等。Q：高分子材料制备时所面临的环境问题有哪些？（8-10分）高分子材料加工时面临的问题：使用重金属的添加剂引发的问题，如聚乙烯塑料中作稳定剂的镉铅系重金属化合物的毒性和粉尘污染；用作制冷剂和制备PU泡沫塑料等发泡剂的氟氯烃，是破坏地球高空臭氧层的罪魁祸首；用作摩擦和密封材料增强剂的石棉是致癌物质；残留单体，如氯乙烯、甲醛；某些增塑剂在加工过程中会以微粒形式飞溅到高空中。Q：高分子材料加工时所面临的问题有哪些？高分子材料使用时面临的环境问题：高分子材料的燃烧问题高分子材料的燃烧性

多数高分子材料含有燃烧性；

氧指数：在规定实验条件下，通入23±2°C的氮气、氧气混合气体中，刚好维持材料燃烧所需要的最低氧浓度（体积分数），是高分子材料易燃指标，OI=VO2/(VO2+VN2)；

OI<22，易燃；22<OI<27，难燃；OI>27，不燃。Q：填空燃烧时的发烟热

分解产物缺氧，热气流，黑烟，CO、CO2、HCN、COCl2、HCl对人体的毒害作用

减少燃烧时的发烟率和毒害物质的逸出率B.废弃高分子材料的问题

（1）品种繁多，涉及飞机材料、汽车部件、橡胶轮胎、计算机、光盘、用电器、农膜、包装材料、服装、鞋、门窗、地板、管道、生产部门的边角料；数目庞大，世界每年塑料废弃物约为其产量60%-70%，橡胶废弃物约为其产量的40%；降解困难，绝大部分废弃物几乎不能自然降解，水解和风化；解决棘手，燃烧产生大量有害物质，溶解产生大量废水与污泥；称谓独特，白色污染或白色公害或白灾（塑料、农膜、餐具），黑色污染或黑色公害或黑灾（橡胶轮胎），彩色污染或视觉污染（电器、电缆、光盘）。造成大气污染、土壤污染、海洋污染、景观污染等。Q：高分子材料使用时所面临的环境问题？为什么要解决废弃高分子？高分子材料使用时面临的环境问题（仅塑料废弃物为例）背景材料：美国1992年塑料废弃物达1500万吨，占固体废弃物的7.5%，体积的30%。中国1996年塑料废弃物达300万吨。居高分子材料的第一位。大气污染：塑料废弃物焚烧可产生大量CO2，HCl等气体，特别是呋喃、二恶英类化合物的发生地；土壤污染：废塑料薄膜进入土壤不易被分解，制止土壤透气率使土壤变坏；海洋污染：占海洋漂浮物的60%以上，破坏土壤生态系统且给航运带来安全隐患；景观污染：塑料袋、薄膜、一次性塑料制品随处可见，不易集中清理，不易腐烂。Q：固体塑料废弃物产生什么污染？减少高分子材料对环境不利影响的重要途径：探讨与环境相协调的再生循环技术，使高分子材料废弃物变废为宝，实现资源再生运用；优化设计，根据高分子材料用途进行可降或长寿命高分子材料设计与合成；开发高效生产技术，是高分子材料精细功效化，高性能化以及生态化。Q：如何减少高分子材料对环境不利影响？它的研究思路是？（99%考）高分子材料再生循环技术再生循环技术分类物理循环废旧高分子材料经收集、分离、提纯、干燥等解决后，加入稳定剂等多个助剂，重新造粒，并进行再次加工生产的过程。化学循环运用光、热、辐射、化学试剂等使聚合物降解成单体或低聚物的过程，其产物可用作油品或化工原料。能量回收以高分子材料作燃料或取热或产生蒸汽，进而进行发电或用高分子材料作助燃等过程。一级循环使用原来废旧材料物品制造相似的产品，如塑料瓶等。二级循环使用循环的材料制成新的产品，如原用于制牛奶桶的HDPE再生料制垃圾桶或排水管。三级循环从废材料回收化学原料或能量，如回收溶剂、裂解聚合物、回收油等。四级循环把废料进行焚烧解决以回收能量，用于加热、发电等。B.物理再生的基本手段溶剂化再生技术办法将高分子材料废弃物切片、水洗；加入适宜溶剂使其溶解至最高浓度；加压过虑除去不溶解成分；加入非溶剂使残留在溶液中的聚合物沉淀；对沉淀的聚合物进行过滤、洗涤和干燥。核心：根据不同高分子材料选择最佳溶剂和非溶剂。PP（聚丙烯）的最佳溶剂是四氯化碳或二甲苯，非溶剂为丙酮；PS（聚苯乙烯）泡沫塑料的最佳溶剂是二甲苯，非溶剂是甲醇；PVC（聚氯乙烯）的最佳溶剂是四氢呋喃或环己酮，非溶剂为乙醇热熔加工再生技术办法将热塑性废塑料分离、清洗、粉碎、干燥；通过混合机，单螺杆或双螺杆挤出机进行熔融加工，挤出造粒，作再生原料出售或直接成型制品。混杂废塑料的分离办法：手工分离法磁选分离法风力分离法静电分离法温差分离法密度分离法浮上分离法C.化学再生的基本手段油化还原技术废弃高分子材料经热分解或催化—热分解还原为汽油、煤油和柴油等技术。Y型沸石Al（OH）Y型沸石Al（OH）3液态聚烯烃废塑料气态烃类油解聚单体还原技术通过化学作用将聚合物还原为单体600-800600-800°CPE乙烯、甲烷和苯等单体D.热能运用技术的基本手段直接燃烧运用其热能如：粉粒废塑料替代煤核油用于高炉喷吹。据测定，聚烯烃和PS的燃烧热为38-46MJ/kg，与煤油相称，PMMA和聚酰胺的燃烧热为25-33MJ/kg，与煤相称。固体燃烧化把废弃高分子材料制成固体燃料，（颗粒或粉末）和液体燃料（稠油燃料或油），运用其热能。Q：如何再生？有哪些途径？再生循环技术的分类？（6分）环境和谐高分子材料发展背景庞大难降解的“白色污染”（98年世界塑料产量约为1.5亿吨），石油资源日益枯竭（预计全世界石油储量仅能用40年）。上世纪70年代，提出降解塑料的概念，英国Griffin首先发表淀粉填充PE的专利；美国80年代掀起开发降解塑料的热潮，其中Anti-Tech公司投资1亿美元建成以玉米淀粉为基料生产降解垃圾袋生产线；日本64家公司联合成立“生物降解塑料研究会”。1998年塑料总产量近千吨，每年约有200万吨作为垃圾抛弃，七大水系遭受污染，长江上漂浮垃圾触目惊心。生物降解塑料分类按降解机理分不完全降解性塑料完全降解性塑料：微生物合成高聚物、化学合成高聚物、天然高聚物及其衍生物按原料构成或制备工艺分天然产物降解塑料合成生物降解塑料：化学合成降解塑料、生物合成降解塑料考聚合物的降解方式微生物降解：在有氧（无氧）条件下，通过微生物使高聚物转变成CO2，、甲烷及多个副产品。大型生物降解：聚合物被昆虫、动物或其它生物摄取、在它们咀嚼和消化活动中降解。光降解：在日照下发生类劣化分解反映，一段时间内失去机械强度，其实质是在紫外照射下的一种快速光老化。化学降解水解氧化降解Q：有哪些聚合物降解方式？名词解释可降解塑料指在特定环境中化学构造发生重大变化，并在拟定时间内出现，特定性能损失的塑料，根据化学构造发生变化的机制不同，可分为：光降解塑料：添加光敏剂或采用含羰基的光敏单体与常规单体共聚，如PE、PS、PVC、PET和PA等。光—生物降解塑料：大都为聚烯烃类塑料，辅以适量的光敏剂、生物降解剂、增进氧化和降解控制剂。生物降解塑料可溶性塑料Q：什么叫可降解塑料，名词解释（光降解塑料必考）5分淀粉系列生物降解塑料淀粉是一类来源丰富、价格低廉的天然高分子。由直链淀粉和直链淀粉两种多糖构成。其中直链淀粉是由葡萄糖单元以α-1，4-糖苷键结合而成的直链状多糖，而支链淀粉是由葡萄糖单元以α-1，4-和α-1，6-糖苷键结合而成的树枝状多糖，约20个葡萄糖单元就有一种分支。

淀粉塑料产量占生物降解塑料的2/3，其优势在于：①含有完全生物降解能力；②塑料中淀粉降解后，产生二氧化碳，不会对土壤或空气造成污染；③机械性能优良；④可再生，取之不尽。

Q：淀粉塑料产量占生物降解塑料的重要地位？填充塑料淀粉塑料：源于70年代Criffin专利技术，含量7-30%，分为物理改性淀粉基塑料（添加硅氧烷）和化学改性填充塑料（形成接枝共聚物），但解决污染意义不大。

双降解型淀粉塑料：源于80年代，成为90年代主攻方向，添加光敏剂，国内已建成5000t/a生产线。

全淀粉热塑性塑料：提高淀粉含量至60-70%，有时至90%以上，添加的其它组分也可降解，重要降解产物为二氧化碳和水。

如何改善亲水性淀粉与惰水性树脂之间的相容性？

添加淀粉的接枝物作为增溶剂。现在使用的接枝单体重要有苯乙烯、丙烯腈、烷基丙烯酸酯、脂肪酸聚酯等。Q：如何改善亲水性淀粉与惰水性树脂之间的相容性？化学与生物合成的生物降解新材料化学合成：脂肪族聚酯、聚乙二醇、聚乙烯醇及其衍生物、聚氨酯及其改性物。生物合成：脂肪族聚酯、聚乳酸等生物聚酯等。应用：美国1995年在合成脂肪族聚酯产品上的税收超出3亿美元，其中95%来自手术缝合线，5%归于骨科固定器件（化学合成）和牙科应用；微生物聚酯则广泛用于制成一次性塑料制品（生物合成）。重要问题：成本大幅度提高，如采用生化、化学法和由天然制成的降解塑料每公斤售价分别为94.50-94和50元。而通用塑料（PVC,HDPE,LDPE,PP,PS）每公斤售价大概为6.0-8.0元。

七、生物资源高分子材料天然高分子

自然界动物、植物以及微生物资源中的大分子普通称为天然高分子，涉及纤维素、木质素、淀粉、蛋白质、壳聚糖、天然橡胶等，它们可能成为将来的重要化工原料，特别是它们含有多个功效基团，能够通过化学与物理改性成为新材料。天然多糖改性作用生物功效材料的优势

（1）原材料来源十分丰富可生物降解或吸取生物相容性良好易于反映，识别或化学修饰成本含有相对优势植物纤维性废弃资源的综合运用农业废弃物中生物纤维的理化特性

表1农业废弃物中生物纤维的化学构成

纤维来源：大麦杆、小麦杆、高粱杆、水稻杆、玉米杆、菠萝杆、椰子壳、甘蔗渣、香蕉叶

——木质素、半纤维素、纤维素、灰分

生物质能源是唯一可再生，可替代化石能源转化为液态和气态燃料以及其它化工原料或者产品的碳资源。

Q：名词解释

随着化石能源的枯竭和人类对全球性环境问题的关注。生物质能替代化石能源运用的研究和开发已成为国内外众多学者研究和关注的热点。

我国年可获得生物质资源能量达成33.14亿吨煤当量，其中秸杆和薪材分别占54%和36%，现有180多亿吨林木生物质资源量，8-10亿吨可获得量和3亿吨可作为能源的运用量。

生物质能转化运用的重要途径：热化学高效转化运用的热解气化发电（供热、供气）；快速热解制备液体燃料和生物质气化合成液体燃料；以及生物化学转化技术等。Q：问答题木质生物质是以植物体形式存在的。重要成分是木质素、纤维素和半纤维素。在木质生物质组分中。木质素含量占20%左右，纤维素占40%左右，半纤维素占25%左右。地球上每年由光合作用生成的木质生物质总量超出亿吨，是最丰富的可再生资源。

木质生物质通过一定的降解或分解途径，可产生诸多有重要价值的有机小分子化合物。这些有机小分子化合物有葡萄糖、木糖、苯丙烷单体及二聚体。气态小分子如CH4和CO，液态小分子如有机酸、醛、醇，重要基础平台化合物糠醛、乙酰丙酸、木糖醇、乙醇等。通过这些小分子有机化合物的转化，可生产替代石油基产品的高附加值的化学品，对可持续发展有重要意义。

纤维素是木质生物质的重要构成部分，是地球上含量最丰富的可再生资源。随着石油资源的日益减少，石油价格进一步上涨，石油开采和加工成本的提高，以及公众和社会对环境质量的规定越来越高，探索从纤维素这种蕴藏十分丰富的可再生资源转化为清洁燃料和化学品乙醇以及补充或替代石油化学品有非常重要意义。

Q：问答题

纤维素转化为清洁燃料以及化学品乙醇的核心是寻找有效途径将纤维素水解为葡萄糖等可溶性发酵糖。纤维素是β-1，4糖苷键构成的长链分子，长链分子进一步形成一种含有高度结晶区的超分子稳定构造。这种稳定构造使得纤维素很难水解。

纤维素水解重要有生物酶纾解和化学水解两种途径。酶水解作用时间场，得率低，成本高，现仍在探索其工业化应用前景。化学水解是通过无机或有机酸水解纤维素，使之转变为可发酵性还原糖，化学水解能克服酶水解的缺点，这种途径正在不停完善之中。

现在，