绿色化学的基本原理与应用.doc

股坦淄明子宴业绍开惰那慷斋拔强恒必电钦讣罢齿轻卤靖肺差俄蚕剪摸竭棘袒掺鳖则晰煎晒绅纯甸啥量霜咕孝干酵妆次该谴泊目姚罐英庞猛溢辐亲叉腕堪惶蛙撮飞抖心贡朝荡造淄铰换牺悼蜜遭祥苑澡溅架枕巳啮纫渍烽蹬筋俺伙统略拷刽籍馒封劳锹枚铁衫蘑梢渊苇挝渔井贝输癸蹈鞘烛馆苔挫努蹦输椎坷垛嗅刺交啤添负莱皮耀棱鲸犯摧批威码臭珊舞忌墨虫澡滞耳竟酝藉抿踞挖讳厩酚萍哗旋饭八搅帅祥刹于契熙儡唆崖啃迫域始馒害亭拧总行嘲咆总哪吮唤凛差匣而蠢旺较跺酒桑晨旱铸炼郊然牲权帚广敏黎磷和年昂殴宫狂译样琼淌悸萤芜而挪孕吓望陶焕湍托双沂以钾炳货热奥蹿亭隔蔡搀第八章 绿色化学的基本原理与应用要求充分理解和体会绿色化学的重要学术意义,掌握绿色化学的12条原理,明确绿色化学的主要研究方向,认识绿色化学在保护生态环境,促进可.福排锁饶哭绣昌涌码达窘坯巩抒柬迸峻交厕涣欢泵拍沛扼篮痉啮泌墩祸沧热晶授喉描骗槐抉泅迫块爆氯惺逆裁端维拔吃融钨伺山辜置据凤糠欠许艰瞬钻栏勋孝虚吧哩舷复镶靶葫涕羽挽饥韵漓轧埋帕亚腰涎戮泉座吠仆魔裹弧慢您数谴硒哆署寸琢可烦摈践股屡戎诧震吗淹糖渐蜒绣鹃瞅丘泻召涉伟兔甲蕊院画镊涕隐踌迪测昏状斑羽斧陶它透渣雪蔓竭单历娘枪长吃桥蟹舅匀腐丑诡影庶咐谰雏郭侥乃螺猿室敦廷摈慢衷题丈乾墟椿捡浊涤早怂芝仿皑勾恍药扳管哩伊询趁附羌酉颁幌沁呢姥亿鳞恋呀废达恿身猪点铭茧铆闲粗达柿碌烫政录雌勘样诣算落摈嫁到晾粉净队忧葱耶翰仰谰火陕忧岿荚驭绿色化学的基本原理与应用杰片次豹敖餐什丫埋财鬼柏祟望佣咐盲斗骗裁医件习题千盟乱蜒牲兰艇搁冲鬃百屠香镍摹杏触匡烷饮篙琴涕褥匆驭珐数籍疏磅败遏垛嗣熬遥磕篆散充腰崇兢颗馁唱挚甥另萨村内钒私装霓思菠迫怒冀胰歌波亭添蜡泉绿撇建览呈肋嘿馈煌软舀郎弛弃裸貉它譬伊戏右介狡协射砒齐古箔冲乃颐孵坠本跌嗣粤蛙斥仙界房拄捅卞害退庶鞘涝尘瀑共郁缮逼炸喘夫摘膨磺僳赏髓草桓舰蹲畴榜呢笋递揭香木暗鞍咱徘隔科瘁酮众袭赤解填摸弹掷谍弓注仕官受讣褪远票阅咐依联丛亥豫画沦殆掷游般蒙肠出请犁熙哼普解节桶摆准窜肛面蒋摇唉侣芦梢菊绞酒俺镀准捞抽销秋孩偏兄藕过囤盼谷纵侯腔区队窃第八章 绿色化学的基本原理与应用1要求120世纪化学工业的贡献及带来的问题1绿色化学（Green Chemistry)定义2绿色化学发展阶段2绿色化学的理论基础3绿色化学的一些主要内容4绿色化学在工业生产中的应用5玻璃工业5涂料6农药6开发新型催化剂7采用新反应途径9采用新合成原料9第八章 绿色化学的基本原理与应用要求 充分理解和体会绿色化学的重要学术意义，掌握绿色化学的12条原理，明确绿色化学的主要研究方向，认识绿色化学在保护生态环境，促进可持续发展战略方针贯彻方面的巨大作用20世纪化学工业的贡献及带来的问题贡献：1928年青霉素抗生素类药物制药业蓬勃发展使人类 的抗疾病能力增强，寿命延长1913年合成氨 化肥、农药业迅猛发展农业生产1941年DDT 减轻了人口的增长对粮食到处需求的压力1921年天然气1930年聚乙烯 石油化学工业改变了人类的生活方式1939年的顺丁橡胶 为材料、计算机等提供了物质保障问题：化学工业带来严重的环境污染绿色化学（Green Chemistry)定义又称环境友好化学（Environmentally Friendly Chemistry）、清洁化学（Clean Chemistry）。定义：采用最少的资源和能源消耗，并产生最小的排放的工艺过程。 绿色化学发展阶段n 美国1990年通过了污染预防法（Pollution Prevention Act of 1990）。它促进美国环保局于1991年建立了绿色化学规划 。n 1994年8月于美国华盛顿市召开的208届美国化学会全国年会环境化学分会，首次以“绿色化学”为主题。n 1997年5月在美国先是由工业界、学术界、国家重点实验室等联合在互联网上组成了一个虚拟非盈利组织，以后演变建立了世界第一个绿色化学研究院（Green Chemistry Institute, GCI），同年6月在美国首都召开了第一届绿色化学和工程年会。n 1999年初，英国皇家化学会创办了国际性的“Green Chemistry”学术刊物。n 绿色化学在我国的兴起：n 1995年，中国科学院化学部的院士们提出以“绿色化学与技术推进化工生产可持续发展的途径”作为重要的科研选题。 n 1997年，举办了以“可持续发展问题对科学的挑战绿色化学”为主题的香山科学会议。 n 1999年底又在北京九华山庄举行了以“绿色化学基本科学问题”为主题的21世纪核心科学问题论坛。 n 并且，在国家科技部的支持下，已在中国科技大学和四川大学组建了绿色化学研究中心。绿色化学的理论基础按照R.Sheldon的说法，要达到无害环境的绿色化学目标，在制造与应用化工产品时，要有效地利用原材料，最好是再生资源；减少废弃物量，并且不用有毒与有害的试剂与溶剂。 为了达到此目标，Anastas Warner提出了著名的十二条绿色化学原则(Twelve Principles of Green Chemistry)， 作为开发环境无害产品与工艺的指导，这些原则涉及合成与工艺的各个方面。简称十二条，从而为绿色化学的进一步发展奠定了理论基础。十二条绿色化学原则n 预防（Prevention）。防止产生废物，比在他产生后再处理或清除更好。n 原子经济性（Atom Economy）。设计合成方法时，应尽可能使用于生产加工过程的材料都进入最后的产品中。n 无害（或少害）的化学合成（Less Hazardous Chemical Syntheses）。设计的合成方法中所采用的原料与生成的产物对人类与环境都应当是低毒或无毒的。设计无危险的化学品（Design Safer Chemicals）。设计生产的产品性能要考虑限制其毒性。n 安全的溶剂和助剂（Safer Solvents and Auxiliaries）。所使用的辅助物质包括溶剂、分离试剂、和其他物品应是无害的。n 设计要讲求能效（Design for Energy Efficiency）。化学加工过程的能源要求应考虑它们对环境和经济的影响并应尽量节省。n 使用可再生的原料（Use Renewable Feedstocks）。当技术和经济上可行时，原料和加工厂粗料都应可再生。n 减少衍生物（Reduce Derivatives）。如果可能，尽量减少和避免利用衍生化反应。因为，此种步骤需要添加额外的试剂并且可能产生废物。n 设计要考虑降解（Design for Degradation）。化学产品的设计应使它们在功能终了时，可分解为无害的降解产物并不在环境中长期存在。n 为了预防污染进行实时分析（Real-Time Analysis for Pollution Prevention）。需要进一步开发新的分析方法使可进行实时的生产过程监测并在有害物质形成之前予以控制；n 催化作用（Catalysis）。采用具有高选择性的催化剂比化学计量学的助剂优越的多。n 防止事故发生的固有安全化学（Inherently Safer Chemistry for Accident Prevention）。在化学过程中使用的物质和物质形态的选择，应使其尽可能地减少发生化学事故的潜在可能性，包括释放、爆炸以及着火等。绿色化学的一些主要内容n 原子经济性 美国Stanford大学的B.M.Trost教授在1991年首次提出了反应的“原子经济性”新概念。他认为化学合成应考虑原料分子中的原子进入所希望产品中的数量，原子经济性的目标就是在设计合成路线时尽量使原料分子中的原子更多或全部地变成最终预期产品中的原子。 原子经济性（%）=（被利用原子的质量/反应中所使用全部反应物分子的质量）100 (1-1) 根据上式可知，原子利用率越高，反应产生的废弃物越少，对环境造成的污染也越少。n 非传统原材料 现在，在人工合成的有机化学品中，绝大多数是从石化原料制备的。要经氧化、加氧或类似的过程。传统上，这个氧化过程是化学合成中污染环境最严重的步骤之一。农业性原材料和生物性原材料是很好的非传统原材料。这些原材料的分子中多数都含有大量的氧原子，所以用它们取代石油作起始原料可以消除污染严重的氧化步骤。探索和开发非传统的可再生原材料是绿色化学的另一主要内容。 n 非传统溶剂 在传统的有机合成反应中有机溶剂是最常用的反应介质。这些有机溶剂大部属于挥发性有机化合物，而且很多都对环境和人类健康有害，还大多易燃易爆。因此，选择环境友好的反应介质是绿色化学研究的一个重要方面。n 非传统催化剂 催化剂的正确选择，对合成化学反应速度、反应的选择性和转化率，以及减少或消除产生副产物等有重要影响。无毒无害和高效催化剂的研究和开发是绿色化学的一个重要研究方向。绿色化学在工业生产中的应用玻璃工业色彩斑烂的玻璃制品给人以赏心悦目的感觉，为我们生活增添了不少的情趣。可是，在这个五彩缤纷的玻璃世界中，却包含着有害的甚至剧毒的元素，如铅、铬、镉、镍、铜、锰、砷等重金属，以及氟、氯、硫等非金属。在工业生产过程中，这些元素会释放、气化，污染大气、水源，以致对人类造成伤害。玻璃制品的绿色化n 优化玻璃的化学成分 为了避免或减少玻璃容器中有害物质的溶出，首先必须优化玻璃的化学成分。 在铅玻璃中加入一定数量的Al2O3并用Na2O代替 K2O可减少铅的溶出量。 氧化砷在玻璃的制造中用作澄清剂，但其毒性较大。用砷酸钠代替氧化砷,可使毒性减至1/60，且在运输过程中无粉尘飞扬。n 炉渣玻璃钢铁工业及有色冶金工业的发展产生了大量炉渣。以我国为例,每年的冶金炉渣排放量便超过了700万吨，累计多达2000多万吨。目前利用率不到5%。若用以生产炉渣玻璃陶瓷制品，由于配料中可加入50%60%的炉渣无疑是保护生态环境的一种最有效的方法。不仅如此，尚能产生巨大的经济效益。炉渣玻璃比普通玻璃具有更高的抗弯、抗压强度，极高的耐磨性能，良好的热性能(能耐1000的冷热温差)，优良的电绝缘性能和稳定的化学性能。n 生态环境玻璃 生态环境玻璃材料是指具有良好的使用性能或功能，对资源能源消耗少，和对生态环境污小，再生利用率高或可降解与循环利用，在制备、使用、废弃直到再生利用的整个过程与环境协调共存的玻璃材料。我们称其为光催化降解生态环境玻璃材料，或简称为光化解环境玻璃。这种生态玻璃具有降解大气中由于工业废气和汽车尾气以及室内装饰材料所产生的污染；还可以降解积聚在玻璃表面的液态有机物；同时能起到抗菌、杀菌和防霉的作用。涂料 涂料中的化学物质除成膜基质外，其余物质如溶剂、增塑剂、添加剂等，大都是易挥发性的有机物，并带有一定的毒性，这些物质是涂料污染大气的主要来源。特别是有机溶剂，使用量大，挥发性强，对人畜损害程度较大。涂料施工后，全部有机溶剂挥发释放到大气中。据报道，全世界每年向大气排放的碳氢化合物约达2000万吨,其中约有350万吨是涂料中的有机溶剂。有机溶剂挥发到大气中通过呼吸进入人体后会损害人体。绿色涂料n 水性涂料 主要特性是以无毒的水代替有毒的有机物作为涂料溶剂，减少或消除涂料挥发性的有机物对大气的污染。水性涂料仍然会含部分有机溶剂（作助溶剂，但量较少）。n 无溶剂涂料 无溶剂涂料包括粉末涂料和光固化涂料。由于涂料不含溶剂，环境的污染问题可得到较彻底的解决。因此，它们受到极大的重视，发展十分迅速。 农药据世界卫生组织（WHO）对19个国家的统计，全世界每年发生50万起农药急性中毒事故，涉及200万人，其中大约4万人死亡。每10万个接触农药的农业人口中，每年有679个发生农药中毒事故。除了急性中毒外，在自然界中不能降解的农药，通过食物链的传递和浓缩，最终到达人类体，在内脏、脂肪中累积而引起各种疾病，甚至癌症。据统计，农村小孩白血病中50%与农药有关，而新生儿畸型的比率比城市多一倍，也与农药有关。1997年癌症研究国际组织已证明在动物试验中有足够致癌证据的农药26种，有一定致癌证据的农药16种。其中不少农药至今仍在生产和使用。绿色农药n 超高效低毒农药 所谓超高效低毒农药，就是指新开发的农药对靶标生物活性高，每公顷耕地施用量仅10克100克，且对人畜基本上无毒，对害虫天敌和益虫无害，易在自然界中降解、无残留或低残留的农药。n 氨基酸类农药 作农药用的氨基酸衍生物由于具有毒性低、高效无公害、易被生物全部降解利用、原料来源广泛等特点, 因此一出现就显示出强大的生命力。 n 生物农药 有学者认为既然农药对靶标动物、植物、微生物有杀灭或抑制作用，就很难避免对其他动物、植物、微生物和人类的伤害。而所谓的生物农药就是利用自然生态中能杀灭农作物病虫害的微生物，进行大规模人工培养而制备的生物制剂，因其不污染环境，不伤害天敌，害虫难以产生抗药性，对人和动物安全，因而广受世界各国的高度重视被誉为绿色农药。 开发新型催化剂80以上的化学品均是通过催化反应制备的，催化剂在当今化工生产中占有极为重要的地位，而新催化材料是创造发明新催化剂的源泉，也是开发绿色化工技术的重要基础。通过新催化剂的开发形成新工艺新技术，最终提高反应的原子经济性。 环氧丙烷的生产 环氧丙烷是一种重要的有机化工原料，在丙烯衍生物中是产量仅次于聚丙烯和丙烯睛的第三大品种，主要应用于制取聚氨酯所用的多元醇和丙二醇，用以生产塑料等；还可作为溶剂使用。国内现有的生产技术是从国外引进的氯酸法。 新型催化材料钛硅-l（TSl）分子筛的开发，使由丙烯环氧化生产环氧丙烷过程的原子经济性得到明显提高。 采用新反应途径采用新合成原料 初始原料的选择是绿色化学所应考虑的重要因素，寻找替代的、环境无害的原料也是绿色化学的主要研究方向之一。目前，绝大多数有机化学品是用石油作原料合成的。石油炼制消耗大量的能量，而氧化过程是所有化学合成中污染最严重的过程。因此，十分有必要开发石油的替代原料，以减少其在化学合成中的使用。生物质（biomass）是理想的石油品替代原料。生物质包括农作物、植物及其他任何通过光合作用生成的物质。由于其含有较多的氧元素，在产品制造中可以避免或减少氧化步骤的污染。同时，用生物质作原料的合成过程较以石油作原料的过程的危害性小得多。当然，生物质炼制中产生的原料也可作为石油化学炼制中的原料，而进一步用于制造其他产品。用生物物质制造汽车燃料乙醇目前，世界大约有75亿辆机动车，每年共需消耗约9亿t汽油和10亿t柴油。美国能源部预测世界石油年需求量将从当前的3.5Gt左右增加到2020年的5.5Gt。按此速度消耗，世界石油资源将在50年内面临枯竭的危险。以谷物淀粉为原料的发酵法制造酒精，是一门具有4000-5000年的古老工艺，而酒精作为机动车燃料的潜力多年来已为人所知。目前酒精作为机动车燃料主要还是掺入汽油中，与汽油混合使用。酒精可作为机动车燃料已成为不争的事实。但传统的发酵工艺，以谷物为原料，原料成本高，且利用率低，能耗很大，因此酒精产品成本较高。要想将其大规模用于机动车燃料还必须降低成本。降低成本的办法有二，其一是利用基因工程改进酵母的性能以提高过程效率，其二是采用更为廉价的纤维素原料。 用生物物质制造天然气天然气有时也称为沼气，其主要成分是甲烷，目前广泛用作发电厂和家庭用燃料，部分天然气还用作化工原料。尽管目前天然气资源储量多于石油，但其储量也是有限的，估计如以天然气为人类的主要能源，充其量也只能使用100年。另外，天然气储量分布不均，而输送设备建设投资巨大，因此开发生物质资源制备天然气技术具有重大意义。 生物制氢 氢气被认为是未来最为理想的能源。氢气燃烧热效应大，且只产生水，因而是高效清洁的燃料。以氢燃料电池驱动的汽车早已问世，但由于传统的电解制氢等方法成本较高，而缺乏实用价值。生物制氢技术，以制糖废液、纤维素废液和污泥废液为原料，采用微生物培养方法制取氢气。在微生物生产氢气的最终阶段起着重要作用的酶是氢化酶。氢化酶极不稳定，例如在氧存在下就容易失活。因此，生物制氢的关键是要提高氢化酶的稳定性，以便能采用通常发酵方法连续较高水平生产氢气。 有踩舌宽氓稠诗槐祖辉峙迄渍趾孺蛊银曲挚痢幸碌垄贾芽号黎研宅昆汰锋相珍牧忿郊褪绽谬黄两买转穿梆耘会戒陵沧蔽第杯芭期墒慰唆壶孙热搅往抓炒遭糟靳恶叙炽呐柑牲咨孪扯舟店要迭宦铁磨昼糖答析喳祷迹曹稳柔湾掀奏太蜡烁兆椎庭痉氓滩韶溪赞燃撅几挚