化学与人类生活(柳一鸣)第二章化学与环境教学课件第五节绿色化学与技术

1、第五节 绿色化学与技术一、绿色化学与技术的产生二、绿色化学与技术的内容三、绿色化学与技术的发展 目前人类正面临着有史以来最严重的环境危机。由于人口急剧增加，资源消耗日益扩大，人均耕地、淡水和矿产等资源占有量逐渐减少，人口与资源的矛盾越来越尖锐；此外，人类的物质生活随着工业化而不断改善的同时，大量排放的生活污染物和工业污染物使人类的生存环境迅速恶化。 一、绿色化学与技术的产生 缓解环境危机这一任务，必须依赖于绿色化学的发展。因为绿色化学是一门从源头上阻止污染的新兴化学学科分支，是彻底实现防止污染的基础和重要工具。正因为如此，近年来，国际上绿色化学与技术的学术活动十分活跃。早在1994年8月的第2

2、08届美国化学会年会上，就举办了专题为“Design for the Environment：A New Paradigm for the 21st Century”的讨论会，讨论了环境无害化学、环境友好工艺和绿色技术。 同年4月，在圣第亚哥举行的美国化学会上，工业和工程化学部也有这方面的专题报告。同年2月举行的美俄双边催化讨论会也讨论了如何利用催化技术来开发环境无害工艺。1995年4月美国副总统Gore宣布了国家环境技术战略，其目标为：至2020年地球日时，将废弃物减少40%50%，每套装置消耗原材料减少20%25%。1995年美国设立了总统绿色化学挑战奖，1996年7月美国总统第一届绿色化

3、学挑战奖在华盛顿国家科学院颁发。授予4家化学公司与l位化学工程教授，奖励他们利用化学基本原理从根本上减少环境污染的成就。1996年哥顿会议(Gordon Conference)第一次以环境无害有机合成为主题召开，讨论了原子经济、环境无害溶剂等。这是在世界高学术水平的学术论坛上首次讨论绿色化学专题。 美国化学会在213届全国会议上，召开了“Green Chemistry/ Envirmentally Sustainable Manufacture and Competitive Advantage”。1997年6月召开了“Green Chemistry and Engineering Confe

4、rence”，主题为Implementing Vision 2020。1997年8月在英国召开了1997年哥顿会议。 这些会议都讨论了环境无害溶剂、环境无害催化、在清洁环境中的合成和加工、生物加工与可再生资源、过程分析化学等问题。这些政府或学术机构行为都极大地促进了绿色化学的蓬勃发展。 我国在1993年世界环境与发展大会之后，编制了中国21世纪议程的政府白皮书，郑重声明走经济与社会协调发展的道路，1995年中国科学院化学部确定了绿色化学与技术院士咨询课题，1996年6月在北京召开了“工业生产中的绿色化学与技术”研讨会，1997年国家自然科学基金委员会与中国石油化工总公司经过协商并决定联合资助“

5、九五”重大研究项目“环境友好石油化工催化化学与化学反应工程”，中国科学技术大学绿色科技研究与开发中心于1997年3月在该校举行了专题讨论会，并出版了“当前绿色科技中的些重大问题”论文集。 1997年5月1316日举行了“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第72次学术讨论会。会议的中心议题为：可持续发展对物质科学的挑战；化学工业中的绿色革命；绿色科技中的一些重大科学问题和中国绿色化学发展战略。 1998年，在合肥举办了第一届国际绿色化学高级研讨会；四川联合大学也成立了绿色化学与技术研究中心，上述活动有效推动了我国绿色化学的发展。 总之，绿色化学的研究和发展已经引起了联合国和

6、世界各国政府的高度重视和注意，也已成为国内外企业和学术界的重要研究与开发方向。 绿色化学是根治环境污染的必由之路，既是社会发展的需要，也是化学学科发展的必然。对于我国，既是严峻的挑战，也是难得的发展机遇。二、绿色化学与技术的内容 绿色化学又称环境无害化学、环境友好化学、清洁化学。在其基础上发展起来的技术称为环境友好技术、绿色技术或洁净技术。绿色化学与技术即是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、催化剂、溶剂和试剂、产物、副产物等的使用和产生。主要特点是“原子经济性”，即在获取新物质的转化过程中充分利用每个原料原子，实现“零排放”，因此可以充分利用资源，又不

7、产生污染。 1原子经济性 2环境友好的化学反应 3采用超临界流体作溶剂(采用无毒无害的溶剂) 4研制对环境无害的新材料和新燃料 5计算机辅助的绿色化学设计绿色化学的研究 1原子经济性原料绿色化无毒无害原料可再生资源材料化学反应的绿色化“原子经济反应”“提高反应选择性”产品的绿色化实现零排放和零污染催化剂的绿色无毒无害催化剂溶济的绿色化无毒无害溶济 上述循环就是理想的绿色化学反应 ，原料绿色化无毒无害原料可再生资源材料化学反应的绿色化。 “原子经济反应” “提高反应选择性”产品的绿色化实现零排放和零污染催化剂的绿色化，无毒无害催化剂溶济的绿色无毒无害溶济理想的原子经济反应是原料分子中的原子百分之

8、百地转变成产物，不产生副产物或废物，实现废物的“零排放”。最理想的原子经济反应是加成反应。在许多场合，要用单一反应来实现原子经济性十分困难，甚至不可能。我们可以充分利用相关化学反应的集成，即把一个反应排出的废物作为另一个反应的原料，从而通过“封闭循环”实现零排放。2环境友好的化学反应 在传统化学反应中常常使用一些有毒有害的原料，如氰化氢、丙烯氰、甲醛、环氧乙烷和光气等。它们严重地污染环境，危害人类的健康和安全。绿色化学的任务之一就是用无毒无害的原料代替它们来生产各种化工产品。如用二氧化碳代替剧毒的光气作原料生产有机化工原料，在这一技术中，使用邻磺基甲酸酐作为脱水剂，生产中不使用光气也不生产盐类

9、废料。由环氧化物和二氧化碳生产聚脂酸已由PAC聚合物公司工业化。由二氧化碳代替光气生产氨基甲酸脂和取代脲的技术也已开发成功，正待工业化。 另外，科学家们也在研究如何以酶为催化剂，以生物质为原料生产有机化合物。酶反应大都条件温和，设备简单，选择性好，副反应少，产品性质优良，又不形成新的污染。因此，用酶催化是绿色化学在目前研究的一个重点。 3 .采用超临界流体作溶剂 挥发性有机化物(VOC)广泛用作化学合成的溶剂，并在涂料和泡沫塑料的发泡剂中使用，它们是环境的严重污染源。绿色化学研究的一个重点就是用无毒无害的液体代替这些挥发性有机化合物作溶剂，目前正在研究把超临界流体溶剂用于化学合成中。 当二氧化

10、碳被压缩成液体，或超过其临界点成为超临界流体时，具有许多优良性能，可成为一种优秀的绿色化学溶剂。它无毒、不可燃、价廉，而且可以使许多反应的速度加快或选择性增加。采用超临界二氧化碳代替有机溶剂作为油漆、涂料的喷雾剂和泡沫塑料的发泡剂也已经取得较大进展，有的已经在工业上应用。例如DOW化学公司已开发成功采用超临界二氧化碳代替氟氯烃作为苯乙烯泡沫塑料包装材料的发泡剂。研究超临界流体溶剂，不仅有可能代替挥发性有机化合物从而消除它们对环境的污染，而且正在发展成为一个化学和物理学、流体力学的交叉学科领域。4研制对环境无害的新材料和新燃料 工业的发展为人类提供了许多新材料，它们在不断改善人类的物质生活的同时

11、，也产生了大量生活垃圾和工业垃圾，使人类的生存环境迅速恶化。为了既不降低人类的物质生活水平，又不破坏环境，我们必须研制对环境无害的新材料和新燃料。以塑料为例，我国也大量使用塑料包装，而且在农村还广泛地使用塑料大棚和地膜。这类塑料废物造成的“白色污染”在我国越来越严重。解决这个问题的根本出路在于研制可以自然分解或“生物降解”的新型塑料。目前国际上已有一些成功的方法，例如光降解塑料和生物降解塑料。前者已有美国杜邦公司生产。我国“八五”科技攻关的一个重大项目就是光生物双降解塑料。机动车燃烧汽油和柴油产生的废气(CO、NOx)等是大气污染的一大根源。一些国家为保护环境，对汽油和柴油的质量制定了严格的规

12、格指标。然而，美国Texaco公司找到了一种新的化合物作汽油添加剂，它能使发动机防垢和清洁。由于较清洁的燃烧室滞热少，因而温度较低，导致NOx的产率较少，从而使汽车尾气的NOx排放量下降了22%。5计算机辅助的绿色化学设计 计算机辅助设计的作法是首先建立一个已知的有机合成反应尽可能全的资料库，然后在确定目标产物后，第一步找出一切可产生目标产物的反应；第二步又把这些反应的原料作为中间目标产物找出一切可产生它们的反应，依此类推下去，直到得出一些反应路线，使它们正好使用我们预定的原料。在搜索过程中，计算机按我们制定的评估方法自动地比较所有可能的反应途径，随时排出适合的产物，以便最终找出价廉、物美、不

13、浪费资源、不污染环境的最佳途径。 过去传统的功能化学品的设计，只重视了功能的设计，忽略了对环境及人类危害的考虑，而在绿色化学品的设计中，要求产品功能与环境影响并重。设计、研制新产品时，一般要考虑下面因素：物质的结构与活性的关系，避免采用毒性功能基团，生物吸收量最小化，使辅助的物质最小化。 绿色化学品的设计方面已取得较大的成绩，如目前已研究并开发了生物降解的塑料、高选择性的新型杀虫剂（高效低毒化学农药、生物农药等）和绿色涂料(节能、低污染涂料，如高固含量溶剂型涂料、水基涂料、粉尘涂料、液体无溶剂涂料)。但要得到真正实用的计算机辅助绿色化学设计软件，还需进行大量工作。首先，把迄今已知的所有化学反应

14、整理输入资料库工程浩大；其次，要制定正确适用的评估程序也非易事。随着分子结构与性能数据库的建立及分子模拟技术的发展，在化学分子设计、合成设计、实验控制与模拟中逐渐有了理想工具，利用大量实验数据进行综合分析，建立结构-活性关联的分子模型，从而避免了茫然无边的实验探索，减少了能源和材料浪费以及由此造成的环境污染，为绿色化学品的设计提供保障。三、绿色化学与技术的发展 从总体上说，绿色化学的目标有两个：一是改进现有化学工业，减少和消除污染；一是开发以“原子经济性”为基本原则的新化学反应过程。其主要发展有； 1新的化学反应过程研究 2传统化学过程的绿色化学改造 3能源中的绿色化学问题和洁净煤化学技术 4

15、资源再生和循环使用技术研究 5综合利用的绿色生化工程 1新的化学反应过程研究 在原子经济性和可持续发展的基础上研究合成化学和催化的基础问题，即绿色合成和绿色催化问题。如美国Monsanto公司不用剧毒的氢氰酸和氨、甲醛为原料，从无毒无害的二乙醇胺出发，开发了催化脱氢安全生产氨基二乙酸钠的技术，从而获得了1996美国总统绿色化学挑战奖中的变更合成路线奖。 美国Dow化学公司用CO2代替对生态环境有害的氟氯烃作苯乙烯泡沫塑料的发泡剂，因而得到美国总统绿色化学挑战奖中的改变溶剂/反应条件奖。在有机化学品的生产中，有许多新的化学流程正在研究开发，如以新型钛硅分子筛为催化剂，开发烃类氧化反应；用过氧化氢

16、氧化丙烯制环氧丙烷；用过氧化氢氧化环己酮合成环己酮肟；用催化剂的晶格氧作烃类选择性氧化反应的氧化剂，如用晶格氧氧化丁烷制顺酐，用晶格氧氧化邻二甲苯制苯酐等，这些新流程的开发是绿色化学领域中的新进展。2传统化学过程的绿色化学改造 这是一个很大的开发领域。如在烯烃的烷基化反应生产乙苯和异丙苯生产过程中需要用酸催化反应，过去用液体酸HF催化剂，而现在可以用固体酸分子筛催化合成，并配合固定床烷基化工艺，解决了环境污染问题。在异氰酸酯的生产过程，过去一直是用剧毒的光气作为合成原料，而现可用CO2和胺催化合成异氰酸酯，使其成为环境友好的化学工艺。3能源中的绿色化学问题和洁净煤化学技术 我国现今能源结构中，

17、煤是主要能源。由于煤含硫量高和燃烧不完全，造成SO2和大量烟尘排出使大气污染，由SO2而产生的酸雨对生态环境的破坏十分严重。因此研究和开发洁净煤化学是当务之急。这需要重视研究催化燃烧，等离子除尘除硫，生物化学除硫等新技术。4资源再生和循环使用技术研究 自然界的资源有限，因此人类生产的各种化学品能否回收、再生和循环使用也是绿色化学研究的个重要领域。世界塑料的年产量已达1亿吨，大部分是由石油裂解成乙烯、丙烯，经催化聚合而成的。而这1亿吨中约有5%经使用后当年就作为废弃物排放，如包装袋、地膜、饭盒、汽车垃圾等。我国推广地膜覆盖面积达7000万亩，塑料用量高达30万吨，“白色污染”和石油资源浪费十分严

18、重。西欧各国提出三R原则：首先是降低(reduce)塑料制品的用量，第二是提高塑料的稳定性，倡导推行塑料制品特别是塑料包装袋的再利用(reuse)，第三是重视塑料的再资源化(recycle)。回收废弃塑料，再生或再生产其它化学品、燃料油或焚烧发电供气等。同时，在矿物资源方面亦有三R原则的问题。开矿提炼和制造金属材料亦是大量消耗能源和劳动力的工业，如铝材现已广泛用于建材、飞机和日用品等方面，而纯铝要电解法制备，是一个大量耗电的工业，应该做好铝废弃物的回收和再生技术研究。5综合利用的绿色生化工程 绿色化学的根本目的是从节约资源和防止污染的观点来重新审视和改革传统化学，从而使我们对环境的治理，可以从治标转向治本。随