绿色化学与绿色分离工程进展

1、 绿色化学与绿色分离工程进展 摘 要: 随着人们对环境质量的要求不断提高，绿色化学作为一种环境无害的技术， 已备受世人关注。对绿色化学与技术的研究方兴未艾，在绿色化学与技术的重要性方面，人们已达成共识。本文系统介绍了绿色化学的定义及其研究进展，并在其基础上提出绿色分离工程的概念。同时， 探讨了分离工程绿色化的实现方法。关键词: 绿色化学; 分离工程Abstract:With the increasing request for better living environments, people pay great attention to green chemistry, a methodo

2、f environmentally benign technology. Studies on green chemistry are now more and more prosperous. In this paper, the advances in green chemistry are reviewed. The notion of green separation engineering is first presented. Also, the methods ofgreening separation are discussed.Key words: green chemist

3、ry; separation engineering引言伴随着全球范围内人口的迅速膨胀、工业化的发展，排放到自然生态环境的废物和污染物越来越多，环境污染问题日益突出，工业化又使自然资源的消耗超出其恢复能力，因而破坏了全球生态环境的平衡。20世纪70年代以来的“末端治理”虽然在某种程度上减轻了环境污染，但并没有从根本上改变全球环境恶化的趋势1，世界各国政府以及人们在享受现代科学与技术带来的巨大便利的同时，也逐渐意识到人们未来面临的巨大生存危机和困难2。为了唤起人们对环境保护的重视和绿色产品与工程的关注，许多诸如可持续发展、循环经济、绿色产品、绿色化学等词汇大量涌现。尽管绿色化学这个词的使用频率非

4、常之高，但是像使用纳米一样，许多人只是更多将其作为一种“时髦”的词在使用，而对其真正含义以及其中一些深层次的问题却不甚了解，甚至经常将其与环境保护、可持续发展以及循环经济混为一谈。这些问题造成了绿色化学概念的滥用和混乱。1绿色化学1.1 绿色化学的诞生3 从60年代化学农药污染的危害被提出来之后, 经过20 多年的努力, 化学污染防治已取得巨大成绩。对一些全球性的化学污染( 如油泄漏、燃煤烟尘、酸雨、汽车尾气、温室效应、有机氯农药、环境致癌物等) 的研究、控制与治理已取得实质性的进展。为了真正在技术上、经济上解决由于生产和使用化学品所造成的对环境和人类健康的负作用, 需要有新的思路、理念、政策

5、、计划、程序和基础设施。1990 年美国国会通过了 污染预防法案 ,明确提出了预防污染这一新概念。它虽然不具法律效力, 但可作为一个行动指南。该法案详细阐明了污染预防的体系和不同层次, 包括废弃物的清除、处理与回收, 污染源削减与杜绝。最后一项 污染源杜绝 代表了污染预防这一新概念的最终目标, 这种防止有毒化学物质危害的途径就是从一开始就不要产生有毒有害物质。这项法案的出现极大地推动了化学界预防污染保护环境的研究。90年代初,一个 新化学婴儿 在孕育着, 受到各方关注并赋予其不少美名, 如清洁的化学、环境良性化学、原子经济化学和绿色化学等。最后美国国家环保局采用了绿色化学 。1995年 3月

6、16 日美国总统克林顿宣布设立 总统挑战计划 , 以推动各界合作进行化学污染预防和工业生态学研究, 鼓励支持重大的创造性的科学技术突破, 从根本上减少乃至杜绝化学污染源。1.2绿色化学与技术的定义4绿色化学又称为环境无害化学, 在此基础上发展的技术称为环境友好技术、绿色技术或洁净技术。其目的是依靠科技发展, 创造出生产单位产品的产污系数最小, 而且资源及能源消耗最少的先进工艺技术; 从化学反应入手根本上减少环境污染, 而不是开发对废气、废水、废渣等的局部末端治理技术。理想的绿色技术应是高选择化学反应, 极少副产品, 甚至达到 原子经济 , 100% 选择性,实现零排放;采用无毒无害的原料; 采

7、用无毒、无害的催化剂和溶剂;同时采用的高选择性反应也可达到要求具有一定的转化率, 达到技术上经济合理。此外, 环境友好产品也包括在内。2 绿色分离工程绿色分离工程是指分离过程绿色化的工程实现。绿色分离工程才刚刚进人人们的视线，在绿色分离工程领域还有许多工作需要做。分离过程绿色化的途径有两种，首先是对传统分离工程进行改进、优化，使过程对环境的影响最小；其次是开发及使用新型的分离技术，如膜分离技术、超临界萃取技术、反应一分离耦合技术等5 。2.1 传统分离过程的绿色化学对传统分离过程的绿色化主要是对分离过程(如蒸馏、干燥、蒸发等)利用系统工程的方法，充分考虑过程对环境的影响，以环境影响最小(或无影

8、响)为目标，进行过程集成。由于分离过程的巨大能耗，最早引起人们关注的是过程的能量集成。国外学者以化工过程为对象，进行了不少研究。最终确定了用PEI平衡作为评价过程绿色的指标6。国内在这方面的研究还比较少，如何将这些方法引入到分离过程，甚至于全过程的研究中，是今后的一个发展方向。22 现代分离过程的绿色化随着化学工业的发展, 分离工程也处于不断发展之中。一方面, 对传统分离技术和应用不断进步, 分离效率提高, 处理能力加大, 工程放大问题逐步得到解决, 新型分离装置不断出现;另一方面, 为了适应技术进步所得出的新的分离要求, 对新分离方法的开发、研究和应用非常活跃, 成为化学工程研究前沿之一 7

9、。这些分离技术有些本身就是绿色技术的重要分支, 如超临界技术, 以无毒无害的超临界流体替代各种对人和环境有害的有机溶剂。而膜分离技术则是一种节能、高效、无二次污染的分离技术, 在食品加工、医药、生物化工等领域有其独特的适用性。开发新的分离过程, 在早期阶段就应注意过程的绿色化, 即过程对环境、人体健康的影响给予足够的考虑, 避免再走先污染后治理的老路子。3 新兴的绿色分离技术由于各种分离过程耗费了大量能源，并可能产生严重的污染，因此研究新型分离技术对于国民经济来说非常重要。分离追求的目标是节省能源、减少废物、避免废物的产生、减少循环、避免或减少有机溶剂的使用等。因此，绿色分离技术成为研究的焦点

10、。31 膜分离技术 膜分离是在20世纪初出现，20世纪60年代后迅速崛起的一门多种学科交叉的高效、节能、环保的高新技术。膜从广义上是指两相之间的一个不连续的区间，这个区间的三维量度中的一度和其余两度相比要小得多。膜可分为固相、液相、气相或它们的组合，通常是固膜(聚合物膜或无机材料膜)和近年来发明的液膜(乳化液膜或支撑液膜)。膜分离过程是利用不同的膜的特定选择渗透性能，在不同的推动力(压力、电场、浓度差等)作用下实现混合物分离的过程。膜分离工程可分为微滤、超滤、反渗透、电渗析、气体膜分离、渗透汽化和液膜分离等类型 引。由于膜分离过程具有操作条件较为温和，效率高，能耗低，规模和处理能力可在很大范围

11、内变化的优点，并且是一种绿色分离过程，已在高新科技和国民经济各部门得到广泛应用。纳米膜过滤技术、膜蒸馏、膜萃取、液膜电渗析、膜反应过程等新技术的发展，不断扩充原有的应用领域，使膜技术发挥越来越大的作用。32 新型吸附技术 吸附技术作为流体分离的技术日益受到广泛的重视，吸附理论的研究也取得了很大的发展。首先是理想的吸附溶液理论(IAST)，接着发展了基本纯气体等温线来预测混合气体平衡吸附的几个重要理论，并在具有非线性等温线的混合气体吸附动力学的平衡理论方面也取得了重要进展。绝大多数流体的分离过程是基于混合物中各组分在给定吸附剂上所具有的不同的吸附能力实现的1 。吸附技术应用领域极其广泛，不仅在水

12、处理的应用上占有重要位置，其它在食品、医药、化学冶金等工业以及农业上也得到较多的应用，特别是近年来对环保工程、节水工程、中水利用更受到应有的重视。例如，活性碳纤维板用于气体净化解决环保工程中脱除有害气体。与所有的新技术一样，随着吸附分离技术的发展，特别是吸附剂性能和生产能力的提高，吸附分离作为一种绿色分离技术会逐渐占领工业气体和液体的分离市场。3.3 反应一分离耦合技术反应一分离过程耦合是指在一套设备中同时完成反应和离两个过程。广义上也可理解为将一系列分离器与反应器集成于一个系统中操作。反应一分离耦合可以利用反应促进分离或利用分离促进反应，不但可以提高过程产率，还可简化生产工艺过程，节约投资和

13、操作费用，因而受到重视。例如酯化反应是一种可逆反应，利用反应精馏，即把反应放在精馏塔中进行，可以在反应过程中利用精馏及时分离生成的水和酯，使反应持续向酯化的方向进行。在同一设备中完成反应和分离，可使设备投资和操作费用大为降低。目前对这一技术的研究与开发应用越来越多，特别是在耦合方法方面已取得了显著进展。已经开发了反应精馏、反应精馏一膜分离耦合技术、反应一渗透蒸发的耦合、反应一无机膜的耦合、膜生物反应器等耦合技术、超临界一吸收耦合技术7等。对反应一分离耦合技术的应用实践结果表明，该系统具有可降低能耗和设备投资、提高产率等优点，引起了人们的广泛重视，并取得了很大的发展，从而创造了极大的经济效益。但

14、是由于该技术的复杂性，其设计不论在实践还是在理论研究方面都有待进一步的完善和发展。4 结语绿色化学已被公认为是21世纪最重要的科学领域之一，是实现污染预防最基本的科学手段。绿色化学从原理和方法上给传统的化学工业带来了革命性的变化，也使传统分离工程的发展面临着巨大的挑战和机遇。随着21世纪绿色化学的进步，在从事该研究与开发的科技工作者的努力下，绿色分离工程也将为人类的健康和生存环境的改善作出重大的贡献。参考文献: 1 粱文平,唐晋.绿色化学-解决2l世纪环境资源问题的根本出路之一自然科学进展 J,2000,10(12):11-43. 2 Mary KirehhofPromoting sustainability through greenchemistryJ.Resources Cons-ervation and Recycling,2005,44:237-243. 3 薛慰灵. 绿色化学 对环境更友善的化学 J . 化学教育, 1997, 9