第十一章高分子材料与环境

1浙江大学化工系申屠宝卿Shentu@2014.4.16第十一章高分子材料与环境2经济发展、科技进步、生活水平提高离不开高分子材料环境问题:

高分子材料在生产、加工、贮运、使用、废弃物

处理中可产生有害物，危害环境和人体健康资源问题:

过程工业资源利用效率低仅十几%资源不 可再生性催化剂降低资源能源消耗未来高分子材料工业工艺过程环境协调型工艺产品环境协调型产品提倡“少即多”

化学品用量少、效率高;原料能源消耗少;生产效率高;

前言3地球环境问题

气圈：CO2使地球温暖化氟利昂使臭氧层破坏

SO2等酸性雨有机溶剂、汽油等挥发产生的有机蒸汽(VOC)

地圈：废弃高分子材料等废弃物水圈：工业、农业、家庭排水等引起的水质污染4图各种各样的环境污染5高分子材料与环境高分子材料制备过程中的环境问题高分子材料使用过程中的污染废弃高分子材料的处理白色污染环境荷尔蒙：高分子材料中含有的超微量能引起内分泌混乱的物质6环境问题的对策高分子膜用于CO2的回收离子交换树脂用于水处理废弃高分子材料的回收综合利用生物降解高分子用绿色化学方法制备高分子材料7地球温暖化和高分子地球温暖化对世界能源政策、环境政策产生重要影响。控制CO2、CH4、N2O等的排放寻找代替氟利昂的新材料ne-O2H+H2AnodeElectrolyteCathodeVH+H+e-e-H2OFuelCell8控制温室气体排放的措施节能大量使用绿色能源对温室气体的固定、分离回收创新的环境技术开发下一代新能源的开发9高分子材料的再生循环利用

目前高分子材料的再资源化率低，废纸、铝罐达50%。废弃高分子材料的现状城市生活垃圾1.2亿吨/年以上,其中废弃高分子材料占2％-4％，即240～480万吨。废弃高分子材料引起的环境和社会问题

经济损失：高达2000亿元/年，其中，生态破坏：1000亿元，因污染粮食减产：1280万吨，受农药严重污染的粮食：3000万吨。据世界银行公布，1995年中国因污染造成80万人过早死亡，740万人患支气管炎，国家花费的医疗费用达340亿元，估计到2020年将花费1040亿元。10

废弃高分子材料对农业和生物的危害

以农用和包装材料为主以废弃农膜为主，包括地膜、棚膜、果蔬保鲜膜及农灌防 渗膜等。使用寿命通常是1～2年，在土壤中约300—400 年才能完全降解。废弃高分子材料对动物的危害塑料废弃物对海洋生物造成的危害是石油溢漏危害性的4倍，

高分子材料划伤食道，造成胃部溃疡等疾患。

废弃高分子材料对人体的危害造成火灾事故，塑料废弃物的焚烧产生有害的气体，有毒气体能使兽类和鸟类出现畸形和死亡。11高分子材料的再生循环利用高分子材料工业应贯彻3R原则

减量化原则(Reduce)要求用较少的原料和能源投入,达到既定的生产目的或消费,以便从经济生活的源头就注意节约资源和减少污染。

再使用原则(Reuse)要求产品和包装以初始形式使用和反复使用,减少一次性用品,延长产品使用寿命

再循环原则(Recycle)

生产出来的制品在完成其使用功能后能重新变成可以利用的资源,而不是不可恢复的垃圾.生产一件制品只是完成了一半工作,关键是应设计好在制品达到使用寿命后如何处理.生产者必须承担起解决废弃物的责任.12

废弃高分子材料的循环利用方法材料的循环利用：收集单一的塑料，重新造粒；物性相似的塑料熔融成型加工的复合再生法

Samal循环利用：废弃高分子材料等燃烧，以热能形式回收化学循环利用：废塑料等高温化学分解回收单体、溶剂、油 等原料重复使用：废塑料洗净再使用的方法，从能源及成本考虑都是最优的循环利用方法13废塑料的分离方法14废塑料的再生利用方法聚15废塑料的高温裂解工艺流程16废塑料的催化裂解工艺流程17表塑料粉末、煤粉和重油燃烧实验结果18表高分子材料循环利用和回收方法废弃高分子材料的种类物理方法化学方法热能再生单一高分子++++高分子混合物+++++含有纸类的高分子混合物--++垃圾中的高分子--++-：不推荐，+：适合，++：推荐方法19生物降解高分子

资源循环利用推进的同时，希望发展环境低负荷型材料。生物降解高分子：能被自然界中微生物分解的高分子高分子材料材料降解分解后生成物微生物代谢分解菌种H2O、CO2、CH420生物分解性高分子的种类微生物制造的高分子：如聚丁酸酯（PHB）

来自动植物的高分子：纤维素、虾和螃蟹等的壳化学合成的高分子：聚醚等21微生物制造的高分子代表性的聚酯共聚物22

P(3HB-4HB)

与通用高分子材料的性能比较材质抗张强度kg/cm2

伸长率%熔点℃P(3HB-4HB)

100-30050-500140-170PE

125850120PP

340750160

随4HB含量增加，P(3HB-4HB)

的柔软性增加根据填埋情况P(3HB-4HB)

可在一个月至数个月内分解23

代表性的多糖类物质结构纤维素24从动植物中来的高分子纤维素：地球上存在最多的高分子，分子间存在氢键，结晶度高，加工困难。吓、螃蟹壳：天然多糖，不溶、不熔可溶性生物分解高分子25化学合成生物降解高分子

合成的生物降解高分子加工性优种类脂肪族聚酯：聚乳酸脂肪族聚醚聚乙烯醇成本：是普通高分子的数倍到数十倍实际条件下的分解程度及对环境的影响程度26开环聚合法直接合成法脂肪族聚酯的合成27用绿色化学方法制备高分子材料绿色化学：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。1996年美国设立了总统绿色化学挑战奖。日本制定了新阳光计划2829OxidativePolymerizationSynthesisofAromaticPolymersGreenPolymerization原子经济的化学反应30A.S.Hay,J.Am.Chem.Soc.

1959,81,6335.1、溶剂回收复杂，污染环境2、防爆反应器，成本高存在的问题:有机溶剂中氧化聚合制备PPO31K.Saito,T.Tago,T.Masuyama,H.Nishide,GreenChemistry.,2003,5,535.水介质中氧化聚合制备PPO单体

(DMP),NaOH,氧化剂或催化剂,表面活性剂，氧气polymerization32

未解决的问题催化效率低（[单体]/[催化剂]=10）开发新型催化剂水溶性树形分子33水和高分子

21世纪地球环境的重要课题—水.地球表面70%水，但淡水仅占3%.

水资源不足的对策：海水淡化

高分子逆浸透膜：海水的60%变成淡水海外数十万m3/日规模

水质污染含卤素的有机物、农药、施肥后剩余的农药、含氮化合物34使用高分子材料的水处理方法：

膜分离法逆浸透膜和纳米过滤膜可分离农药类、含氮化合物等优点：节省能源缺点：膜表面和孔内堆积处理对象物质，使处理量下降

离子交换树脂法电镀废液的回收和精制、锅炉给水的软化、超纯水的