生态化工浙大学术报告课件

1、可持续发展的化学工业 绿色化工 浙江大学材料与化学工程学院李 伯 耿2022/9/251可持续发展的化学工业 绿色化工 浙江大学材料与化学工2 一、化工在国民经济和社会发展中的地位与作用二、化学工业可持续发展的道路绿色化工三、关于绿色化工的基本思考2022/9/252 一、化工在国民经济和社会发展中的地位与作用2022/9/3主要的化工领域： 能源加工（燃料） 材料制备（高分子材料、金属材料、无机非金属材料） 精细化学品制备（染料、颜料、溶剂、日用化学品等） 药物制备（治疗药、营养药、饲料添加剂、农药、化肥等） 食品加工（酿造、制糖等） 轻加工（造纸、制革等） 环境治理一、化工在国民经济和社会

2、发展中的地位与作用2022/9/253主要的化工领域：一、化工在国民经济和社会发展中的地位与作用4化工与农牧业（农用化学品、农膜、）化工与人类生命（医药、保健药、理疗、 ）化工与人类生活（建材、交通、包装、日用化学品）化工与国防（装备材料、化学武器、推进剂、微化工过程）化工与能源化工与信息技术（微电子工业中的超纯气体、纯水、试剂、光刻胶、液晶、腐蚀剂、掺杂剂、粘合剂等）一、化工在国民经济和社会发展中的地位与作用2022/9/254化工与农牧业（农用化学品、农膜、）一、化工在国民经济和5一、化工在国民经济和社会发展中的地位与作用化学工业一种以资源与能源加工、物质转化、原材料制备为任务的过程工业。

3、 化学工业始终在国民经济和社会发展中占主导地位，是20世纪最辉煌和最有成就感的工业之一。2022/9/255一、化工在国民经济和社会发展中的地位与作用化学工业一种6一、化工在国民经济和社会发展中的地位与作用制造业：食品加工业纺织、服装、毛皮业木材加工及家具制造业造纸、印刷业文教、体育用品制造业石油加工及炼焦业化学原料及化学制品制造业医药制造业塑料制造业橡胶制造业化学纤维制造业非金属矿物制品制造业黑色金属冶炼及压延加工业2022/9/256一、化工在国民经济和社会发展中的地位与作用制造业：石油加工7一、化工在国民经济和社会发展中的地位与作用有色金属冶炼及压延加工业金属制品业专用设备制造业交通运输

4、设备制造业武器弹药制造业电气机械及器材制造业电子通讯设备制造业仪器仪表（自动化设备）制造业2022/9/257一、化工在国民经济和社会发展中的地位与作用有色金属冶炼及压8一、化工在国民经济和社会发展中的地位与作用最大的资源转化与产品制造业最大的国内生产总值与财政收入行业（2001年GNP达到1.3万亿元）产业的先驱、生产力发展的原动力国民经济的支柱（美国、德国等发达国家中，化工产业均列国民经济各产业之首）高技术产业的支撑2022/9/258一、化工在国民经济和社会发展中的地位与作用最大的资源转化与2004年度财富世界500强 排名公司主营业务营业收入1沃尔码零售 263,009.02英国石油炼

5、油、化工 232,571.03埃克森美孚炼油、化工 122,883.04壳牌石油炼油、化工 201,728.05通用汽车汽车 195,324.016日本电报电话电信 98,229.119国际商用机器计算机 89,131.046中国国家电网电力 58,348.052中国石油天然气炼油、化工 56,384.054中国石化炼油、化工 55,062.0130微软软件 32,187.0单位：百万美圆2022/9/2592004年度财富世界500强 排名公司主营业务营业收入110二、化学工业可持续发展的道路绿色化工国民经济的各部门以及人类生活本身或多或少地造成了环境污染和生态恶化。污染治理也是化工能作出重

6、要贡献的领域。但是应当承认，当前的化工生产（资源的加工与利用）仍然是环境污染和生态恶化的主要根源之一。2022/9/2510二、化学工业可持续发展的道路绿色化工国民经济的各部门以11二、化学工业可持续发展的道路绿色化工环境保护与治理的三个时期稀释排放 对毒性的时间性、生物聚集作用和生态变化尚无认识末端治理排放 “三废”处理技术的兴起绿色化工（生态化工）从源头消除环境污染（重新设计化学合成路线、制造方法和化工产品）2022/9/2511二、化学工业可持续发展的道路绿色化工环境保护与治理的三12二、化学工业可持续发展的道路绿色化工“末端治理”存在的问题部门分割维持古老落后的技术在市场中的地位成本越

7、来越高经济效益的虚增有损发展中国家利益2022/9/2512二、化学工业可持续发展的道路绿色化工“末端治理”存在的13二、化学工业可持续发展的道路绿色化工 工业生态学观点： 工业体系可以成为生态体系的一种特殊情况，可以像生态系统那样的方式进行物质、能量和信息的流动和储存。 目标： 找到一条能使工业体系与生物生态系统的正常运行相互匹配的途径。2022/9/2513二、化学工业可持续发展的道路绿色化工 工业生态学观点14二、化学工业可持续发展的道路生态化工建立工业生态系统（生态结构重组）的基本思路废料资源化（二次资源化工）封闭物质循环系统和减少消耗性排放产品与经济活动的非物质化能源脱碳（以石油替代

8、煤炭、以天然气替代石油，以碳水化合物代替碳氢化合物，更多地采用氢能、太阳能）2022/9/2514二、化学工业可持续发展的道路生态化工建立工业生态系统（15三、关于绿色（生态）化工的基本思考资源利用的生态化：产品源于那些可以再生的资源，甚至源于废弃物资源。资源加工的生态化：生产工艺是环境友好的，低污染甚至是无污染的。资源产品的生态化：产品在使用过程中不会产生生态污染。2022/9/2515三、关于绿色（生态）化工的基本思考资源利用的生态化：产品163.1 资源利用的生态化化石矿物资源的两大问题：它们的生长周期非常漫长（以亿万年计，实际上是不可再生的），地球上的储量有限，终究会有枯竭的一天。目前

9、的环境危机直接或间接的与化石矿物资源的加工和使用有关（如产生CO2、SOx、NOx等，形成局部的环境污染、产生酸雨及温室气体）。2022/9/25163.1 资源利用的生态化化石矿物资源的两大问题：20217 生物质资源化 来源于CO2（光合作用），燃烧后产生CO2，但不会增加大气中CO2的含量，因此比矿物燃料更清洁。 以约1640亿吨/年的速度不断再生，如以能量换算，相当于石油年开採量的1520倍，犹如一个取之不竭、用之不尽的资源宝库。3.1 资源利用的生态化2022/9/2517 生物质资源化3.1 资源利用的生态化2022/9/18 生物质资源的利用需要将组成生物质的淀粉、纤维素、半纤维

10、素、木质素等大分子物质转化为葡萄糖等低分子物质，以便作为燃料和有机化工原料使用。 目前已研究的方法包括物理法、化学法和生物转化法。但物理和化学方法一般能耗高、产率低，且过程污染较严重，因此往往作为生物转化法的辅助手段。3.1 资源利用的生态化2022/9/2518 生物质资源的利用需要将组成生物质19生物质资源制取燃料 1. 由生物质制酒精：大规模地用于机动车燃料还必须降低成本（1. 利用基因工程改进酵母的性能，以提高过程效率；2. 采用更为廉价的纤维素原料）。 2. 由生物质制天然气（沼气） 10万头牛粪 5万M3沼气 3万户家庭燃烧使用 3. 生物制氢：以制糖废液、纤维素废液和污泥废液为原

11、料，采用微生物培养方法制取氢气。关键是提高氢化酶的稳定性。3.1 资源利用的生态化2022/9/2519生物质资源制取燃料3.1 资源利用的生态化2022/920采用生物质生产有机化学品 1. 以谷物制造的葡萄糖为原料，采用生物技术合成1,3丙二醇（PDO），以生产新型聚酯（PTT)。 2. 以淀粉和纤维素制取的葡萄糖为原料，利用经DNA重组技术改进的细菌，将葡萄糖转化为已二烯二酸，然后在催化剂的作用下加氢制备己二酸，以制造尼龙纤维、润滑剂、增塑剂等。 3. 以农业废物（秸杆）为原料，应用生物技术合成乳酸，进而聚合成可生物降解的聚合物，以替代聚烯烃和PS。3.1 资源利用的生态化2022/9/

12、2520采用生物质生产有机化学品3.1 资源利用的生态化20221 石油时代 可再生生物质资源利用时代？ 1. 酶的研究开发：采用基因工程、细胞工程、酶工程技术的最新成果，制造出高度稳定性和容忍性的微生物，并研究从中提取出所需要的酶的简便方法。 2. 木质素的利用。 3. 酶和产物从反应液中的分离。 4. 形成平台化学品（Platform Chemicals） 。3.1 资源利用的生态化2022/9/2521 石油时代 可再生生物质资源利用时代22 从淀粉或纤维素水解得到的葡萄糖主要用作发酵工业的原料。近年来的研究表明，从葡萄糖脱水和脱甲酸后得到的另一个化合物乙酰丙酸（Levulinic Ac

13、id, LA），将有可能成为一种新的平台化合物。3.1 资源利用的生态化2022/9/2522 从淀粉或纤维素水解得到的葡萄糖主要用作发酵工23具有不对称碳原子，可以进行手性合成或拆分，获得手性化合物。是一个具有生物活性的分子（例如，在绿色植物或光合细菌中，LA是氨基乙酰丙酸的合成前体及5-氨基-4-酮基戊酸脱氢酶的抑制剂，在血色素生物合成及光合作用调节中起十分重要的功能）。能够进行酯化、氧化还原、取代等各种反应，可合成许多有用的化合物和新型高分子材料。3.1 资源利用的生态化2022/9/2523具有不对称碳原子，可以进行手性合成或拆分，获得手性化合物243.1 资源利用的生态化2022/9

14、/25243.1 资源利用的生态化2022/9/24么么么么方面Sds绝对是假的么么么么方面Sds绝对是假的么么么么方面Sds绝对是假的2001-4-1826么么么么方面Sds绝对是假的2001-4-182627选择性还原和脱水过程能够容易地转化为4-羟基戊酸和-戊内酯，最高转化率可达到99%。3.1 资源利用的生态化2022/9/2527选择性还原和脱水过程能够容易地转化为4-羟基戊酸和-戊28 二氧化碳资源 采用电化学固定法、等离子体固定法及微生物固定法等非常规方法，以此开发出一系列含氧有机化学产品和功能高分子材料。3.1 资源利用的生态化2022/9/2528 二氧化碳资源3.1 资源利

15、用的生态化2022/9/29 废旧聚合物资源化 裂解制燃料是处理聚合物废弃物的重要手段，也是碳元素进一步利用的重要手段。石油、天然气 燃料石油、天然气 聚合物 燃料3.1 资源利用的生态化2022/9/2529 废旧聚合物资源化3.1 资源利303.2 资源加工的生态化原子经济性（元素节约化学）无害溶剂超临界二氧化碳、近临界水、离子液非光气和非氢氰酸的反应路线固体酸催化反应封闭物质循环系统和减少消耗性排放2022/9/25303.2 资源加工的生态化原子经济性（元素节约化学）2031原子经济性与元素节约化学 以起始原料计，反应物中的原子很难全部进入到最终产品中，有时大部分的原子重新组合生成了废

16、物而被白白地浪费掉，甚至排放掉污染了环境。 化工 零排放与减量排放 化学 原子经济性、元素节约化学3.2 资源加工的生态化2022/9/2531原子经济性与元素节约化学3.2 资源加工的生态化202323.2 资源加工的生态化 原子经济性与产率或收率的区别：理想的原子经济反应（一）重排反应：A B理想的原子经济反应（二）加成反应：A + B C 取代反应、消除反应的原子经济性较低。 2022/9/25323.2 资源加工的生态化 原子经济性与产率或收率333.2 资源加工的生态化提高原子经济性的途径： 通过新催化剂的开发形成新工艺 改变反应途径、简化合成步骤 采用新合成原料 形成联产技术 氯甲

17、烷 草甘膦 有机硅 氯化氢2022/9/25333.2 资源加工的生态化提高原子经济性的途径： 34 联产技术 生态产业链技术 联产和生态产业链技术虽有许多优点，但当其中某个产品不畅销，造成积压时，势必会引起另一个产品的生产和销售。因此联产技术必须要有一定的市场适应性。 产业链的多目标（经济、环境、市场）优化3.2 资源加工的生态化2022/9/2534 联产技术 生态产业链技术 35无害溶剂超临界二氧化碳、近临界水、离子液超临界二氧化碳、近临界水、离子液替代有机溶剂进行催化反应超临界萃取超临界二氧化碳发泡聚苯乙烯（1996年美国“总统绿色化学挑战奖”）超临界二氧化碳-表面活性剂金属清洗体系（

18、1997年美国“总统绿色化学挑战奖”）3.2 资源加工的生态化2022/9/2535无害溶剂超临界二氧化碳、近临界水、离子液3.2 资源36本体（气相）聚合反应烯烃气相本体聚合共轭烯烃的气相本体聚合聚合物的反应挤出3.2 资源加工的生态化2022/9/2536本体（气相）聚合反应3.2 资源加工的生态化2022/37非光气和非氢氰酸的反应路线：碳酸二甲酯等替代光气制备异氰酸酯碳酸二甲酯替代光气制备聚碳酸酯双三氯甲基碳酸酯(BTC)替代光气进行光气化反应3.2 资源加工的生态化2022/9/2537非光气和非氢氰酸的反应路线：3.2 资源加工的生态化238碳酸二甲酯替代硫酸二甲酯制备甲基化试剂二

19、步氧化法替代氢氰酸路线合成甲基丙烯酸甲酯替代氢氰酸路线合成己二酸和己二胺二乙醇胺路线替代氢氰酸路线合成氨基酸及其盐（1996年美国“总统绿色化学挑战奖）苄氯羰化路线替代氢氰酸路线合成苯乙酸3.2 资源加工的生态化2022/9/2538碳酸二甲酯替代硫酸二甲酯制备甲基化试剂3.2 资源加工39 各种催化剂中，酸性催化剂占3/4左右。固体酸替代液体酸意义重大。实例：分子筛替代三氯化铝催化剂合成乙苯和异丙苯固体酸替代氢氟酸合成线性烷基苯固体酸替代硫酸、氢氟酸合成烷基化油难点：无论分子筛还是固体超强酸都很容易失活。3.2 资源加工的生态化2022/9/2539 各种催化剂中，酸性催化剂占3/4左右。固

20、体酸替40封闭物质循环系统和减少消耗性排放3.2 资源加工的生态化硅粉氯甲烷直接合成法二甲 目标产物一甲三甲一甲含氢高沸物低沸物 57% 2% 515% 1% 1% 副产物2022/9/2540封闭物质循环系统和减少消耗性排放3.2 资源加工的生态41综合利用的技术路线：3.2 资源加工的生态化2022/9/2541综合利用的技术路线：3.2 资源加工的生态化2022/423.2 资源加工的生态化 碳元素的工业循环代谢 氯元素的工业循环代谢 氟元素的工业循环代谢 硫元素的工业循环代谢2022/9/25423.2 资源加工的生态化 碳元素的工业循环代谢202243 氟元素是一个重要的工业元素。含氟矿物是冶金、建材等行业的重要原料；氟化工产品更是应用于国民经济各个领域，尤其在原子能、航天航空、兵器制造等国防工业领域有着不可取代的地位。 氟资源（不可再生、战备物资） 氟污染氟元素的工业循环代谢2022/9/2543 氟元素是一个重要的工业元素。含氟矿物是冶金、44 氟制冷剂 有机气体释放（ODS物质温室效应） 50%灭火剂 有机氟工业 3040% 氟树脂 固体