化學(xué)工藝學(xué) 教學(xué)課件 ppt 作者 劉曉勤 主編化學(xué)工藝學(xué)-第9章綠色化學(xué)化工概論

1、第9章 綠色化學(xué)化工概論,化學(xué)工業(yè)出版社,主要內(nèi)容,9.1 綠色化學(xué)化工的基本概念 9.1.1 綠色化學(xué)化工的定義及特點(diǎn) 9.1.2 綠色化工過程 9.1.3 綠色化學(xué)原則9.2 綠色化學(xué)工藝的途徑及實例 9.2.1 綠色化學(xué)工藝的途徑 9.2.2 綠色化工過程實例,9.1 綠色化學(xué)化工的基本概念,當(dāng)代全球環(huán)境十大問題：大氣污染；臭氧層破壞；全球變暖；海洋污染；淡水資源緊張和污染；生物多樣性

2、減少；環(huán)境公害；有毒化學(xué)品和危險廢物；土地退化和沙漠化；森林銳減。這些問題有的直接與化學(xué)化工有關(guān)；有的間接相關(guān)。 化學(xué)工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展之路在于：在建立與資源能源集約化相適應(yīng)的化工技術(shù)體系的基礎(chǔ)上，通過制定合理的產(chǎn)業(yè)政策和技術(shù)路線，發(fā)展清潔生產(chǎn)和資源綜合利用，以達(dá)到節(jié)約資源、能源、保護(hù)環(huán)境，提高產(chǎn)業(yè)綜合效益的目的。 綠色化學(xué)與化工是21世紀(jì)化學(xué)工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的科學(xué)基礎(chǔ)，其目的是將現(xiàn)有化工生產(chǎn)的技術(shù)路線從“先污染，后治理”改變?yōu)椤皬脑搭^

3、上根治污染”。 中國化學(xué)科學(xué)與工程的發(fā)展也必須走綠色化道路，實現(xiàn)由分子水平去研究、設(shè)計、創(chuàng)造新的有用物質(zhì)，直至完成其工業(yè)制造與轉(zhuǎn)化過程的全程目標(biāo)，最終實現(xiàn)資源的生態(tài)化利用，建立生態(tài)工業(yè)園區(qū)，實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)，促進(jìn)并保證經(jīng)濟(jì)發(fā)展與資源、能和環(huán)境相協(xié)調(diào)。,從環(huán)境友好的觀點(diǎn)出發(fā)，綠色化學(xué)與化工是利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的原理和方法，減少或消滅對人類健康、社區(qū)安全、生態(tài)環(huán)境有害的原料、催化劑、溶劑、助劑、產(chǎn)物、副產(chǎn)物等的使用和產(chǎn)生，突出從源頭上根除污染，

4、研究環(huán)境友好的新原料、新反應(yīng)、新過程、新產(chǎn)品、實現(xiàn)化學(xué)工業(yè)與生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展的宗旨。 綠色化學(xué)化工特點(diǎn)是：在獲得新物質(zhì)的轉(zhuǎn)化過程中，充分利用每一個原子，實現(xiàn)“零排放”，也就是說，“綠色化學(xué)與化工”是一種無污染的新型化工。 從可持續(xù)發(fā)展科學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)，綠色化學(xué)化工不僅要考慮是否產(chǎn)生對人類健康和生態(tài)環(huán)境有害的污染物，還要考慮到原料資源是否有效利用，是否可以再生，是否可以促進(jìn)經(jīng)濟(jì)、社會的可持續(xù)發(fā)展等。 綠色化學(xué)的主要特點(diǎn)是：原子經(jīng)濟(jì)性，即在

5、獲取新物質(zhì)的轉(zhuǎn)化過程中充分利用每個原子，實現(xiàn)“零排放”，因此可以充分利用資源，又不產(chǎn)生污染。 綠色化學(xué)與環(huán)境治理的不同之處在于前者是從源頭防止污染的生成，而環(huán)境治理則是對已被污染的環(huán)境進(jìn)行治理，即“末端治理”。,9.1.1 綠色化學(xué)化工的定義及特點(diǎn),（1）原子經(jīng)濟(jì)性,9.1.2 綠色化工過程,原子經(jīng)濟(jì)性：衡量所有反應(yīng)物轉(zhuǎn)變?yōu)樽罱K產(chǎn)物的量度。如果所有的反應(yīng)物都被完全結(jié)合到產(chǎn)物中，則合成反應(yīng)是100%的原子經(jīng)濟(jì)性。 理想的

6、原子經(jīng)濟(jì)性反應(yīng)：不使用保護(hù)基團(tuán)，不形成副產(chǎn)物。 加成反應(yīng)和分子重排反應(yīng)等是綠色反應(yīng)，而消去反應(yīng)和取代反應(yīng)等原子經(jīng)濟(jì)性較差。,原子經(jīng)濟(jì)性是綠色化學(xué)的重要原理之一，是化學(xué)家和化學(xué)工程師們用以指導(dǎo)其工作的主要尺度之一。 通過對化學(xué)工藝過程的計量分析，合理設(shè)計有機(jī)合成反應(yīng)過程，提高反應(yīng)的原子經(jīng)濟(jì)性，可以節(jié)省資源和能源，提高化工生產(chǎn)過程的效率。,（2）環(huán)境因子,環(huán)境因子（environmental factor，

7、 ）是荷蘭有機(jī)化學(xué)教授R.A.Shedom在1992年提出的一個量度標(biāo)準(zhǔn)，定義為每產(chǎn)出1kg目標(biāo)產(chǎn)物所產(chǎn)生的廢棄物的千克數(shù)，即將反應(yīng)過程中的廢棄物總量除以產(chǎn)物量。,,,其中廢棄物是指目標(biāo)產(chǎn)物以外的所有副產(chǎn)物。 由上式可見，其值越大，意味著廢棄物越多，對環(huán)境的負(fù)面影響就越大。,表9-1 不同化工行業(yè)的比較,,從石油化工到醫(yī)藥工業(yè)，逐步增大，其主要原因是精細(xì)化工和醫(yī)藥工業(yè)中大量采用化學(xué)計量式反應(yīng)，反應(yīng)步驟多，原（輔）材

8、料消耗較大。,2000年，Paul T Anastas概括了綠色化學(xué)的12條原則，得到了國際化學(xué)界的公認(rèn)。 這12條原則從化學(xué)反應(yīng)角度出發(fā)，涵蓋了產(chǎn)品設(shè)計、原料和路線選擇、反應(yīng)條件等方面，既反映了綠色化學(xué)領(lǐng)域所開展的多方面研究工作內(nèi)容，同時也為綠色化學(xué)未來的發(fā)展指明了方向。,9.1.3 綠色化學(xué)原則,綠色化學(xué)的十二條原則是：,(1)防止廢物產(chǎn)生，而不是待廢物產(chǎn)生后再處理；(2)合理地設(shè)計化學(xué)反應(yīng)和過程，盡可能提高反應(yīng)的原

9、子經(jīng)濟(jì)性；(3)盡可能少使用、不生成對人類健康和環(huán)境有毒有害的物質(zhì)；(4)設(shè)計高功效低毒害的化學(xué)品；(5)盡可能不使用溶劑和助劑，必須使用時則采用安全的溶劑和助劑；(6)采用低能耗的合成路線；(7)采用可再生的物質(zhì)為原材料；(8)盡可能避免不必要的衍生反應(yīng)（如屏蔽基，保護(hù)/脫保護(hù)）；(9)采用性能優(yōu)良的催化劑；(10)設(shè)計可降解為無害物質(zhì)的化學(xué)品；(11)開發(fā)在線分析監(jiān)測和控制有毒有害物質(zhì)的方法；(12)采用性能安全

10、的化學(xué)物質(zhì)以盡可能減少化學(xué)事故的發(fā)生。,,9.2.1 綠色化學(xué)工藝的途徑,9.2 綠色化學(xué)工藝的途徑及實例,綠色化工技術(shù)的研究與開發(fā)主要圍繞“原子經(jīng)濟(jì)”反應(yīng)、提高化學(xué)反應(yīng)的選擇性、無毒無害原料、催化劑和溶劑、可再生資源為原料和環(huán)境友好產(chǎn)品開展的，如圖9-2所示：,三、軋輥無損檢測方法及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),（1）開發(fā)原子經(jīng)濟(jì)反應(yīng)（2）提高烴類氧化反應(yīng)的選擇性（3）采用無毒、無害的原料 （4）采用無毒、無害的催化劑 （5）采用無毒、無害的溶劑

11、 （6）采用生物技術(shù)從可再生資源合成化學(xué)品 （7）有機(jī)電化學(xué)合成方法,9.2.2 綠色化工過程實例,1）環(huán)己酮肟傳統(tǒng)生產(chǎn)方法 環(huán)己酮-羥胺（HSO）工藝：該工藝分為兩步，第一步是羥胺硫酸鹽制備，先將氨經(jīng)空氣催化氧化生成的NO、NO2用碳酸銨溶液吸收，生成的亞硝酸銨用二氧化硫還原得羥胺二磺酸鹽，再水解得到羥胺硫酸鹽溶液。第二步是環(huán)己酮的肟化，環(huán)己酮與羥胺硫酸鹽反應(yīng)，同時加入氨水中和游離出來的硫酸，得到環(huán)己酮，見

12、反應(yīng)式（9-5）。,（1）環(huán)己酮肟的綠色生產(chǎn)工藝,該工藝投資小，操作簡單，催化劑價廉易得，安全性好。 主要缺點(diǎn)： 原料液NH3·H2O 和H2SO4消耗量大，在羥 胺制備、環(huán)己酮肟化反應(yīng)和貝克曼重排反應(yīng)過程中均副產(chǎn)大量經(jīng)濟(jì)價值較低的(NH4)2SO4； 能耗（水、電、蒸汽）高，環(huán)境污染大，設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，三廢排放量大； 特別是(NH

13、4)2SO4副產(chǎn)高限制了HSO工藝的發(fā)展。,2）環(huán)己酮肟綠色生產(chǎn)方法的原理 意大利EniChem公司首先研發(fā)的環(huán)己酮液相氨氧化工藝，在連續(xù)式攪拌釜中環(huán)己酮、氨和H2O2在低壓下由TS-1分子篩催化反應(yīng)直接制備環(huán)己酮肟，并采用膜分離技術(shù)實現(xiàn)催化劑與產(chǎn)物的分離，取消了傳統(tǒng)的羥胺制備工藝，縮短了工藝流程，操作難度低，投資小，能耗少。 在“三廢”處理方面，采用較好的處理方法，經(jīng)處理后的排放物對環(huán)境

14、不構(gòu)成污染。,（2）苯與乙烯烷基化制備乙苯,1）乙苯傳統(tǒng)生產(chǎn)方法,1974年 Monsanto/Lunmmus公司聯(lián)合開發(fā)了高溫液相烷基化生產(chǎn)新工藝即高溫均相無水AlCl3法。 該過程反應(yīng)介質(zhì)的腐蝕性強(qiáng)，設(shè)備造價與維修費(fèi)用高以及反應(yīng)產(chǎn)物有機(jī)相經(jīng)過水洗、堿洗后產(chǎn)生大量含有氫氧化鋁淤漿的廢水，加上廢催化劑，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。,2）以固體酸為催化劑的生產(chǎn)工藝,20世紀(jì)70年代末Mobil公司又開發(fā)成功了ZSM-5分子