綠色化學(xué)化工技術(shù)

綠色化學(xué)與化工導(dǎo)論翟翠萍綠色化學(xué)與化工翟翠萍第六章綠色化學(xué)化工技術(shù)生物技術(shù)催化技術(shù)高級氧化技術(shù)膜技術(shù)微波技術(shù)超聲技術(shù)等離子體技術(shù)高能輻射加工技術(shù)超臨界流體技術(shù)生物技術(shù)：是應(yīng)用生物學(xué)、化學(xué)和工程學(xué)的基本原理，依靠生物催化劑的作用將物料進(jìn)行加工，以生產(chǎn)有用物質(zhì)或?yàn)樯鐣?huì)服務(wù)的一門多學(xué)科綜合性的科學(xué)技術(shù)。生物技術(shù)

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的三大支柱：生物技術(shù)、新材料技術(shù)、電子信息技術(shù)。

生物技術(shù)的最大特點(diǎn)：能充分利用各種自然資源；節(jié)省能源；減少污染；易于實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)；而且可以實(shí)現(xiàn)一般化工技術(shù)難以制備的產(chǎn)品。生物技術(shù)的分類：基因工程-----主導(dǎo)細(xì)胞工程-----基礎(chǔ)酶工程--------條件微生物發(fā)酵工程-----關(guān)鍵基因工程：也稱遺傳工程，主要是基因重組技術(shù)，即是按照人們的要求將目的脫氧核糖（DNA）片段在離體條件下用工具酶剪切、組合和拼接，再將其引入宿主主細(xì)胞復(fù)制和表達(dá)，達(dá)到改性生物特性，生產(chǎn)出具有所需性狀的產(chǎn)品的技術(shù)。催化技術(shù)

催化劑是化學(xué)工藝的基礎(chǔ),是使許多化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵,目前大多數(shù)化工產(chǎn)品的生產(chǎn)均采用了催化反應(yīng)技術(shù)。綠色化學(xué)中的催化技術(shù)采用安全的固體催化劑如分子篩、雜多酸等，替代有害的液體催化劑（如HF、HNO3、H2SO4），簡化工藝過程，減少三廢的排放量。合成化學(xué)中采用擇型的大孔分子篩作催化劑。在精細(xì)化工生產(chǎn)中，采用不對稱催化合成技術(shù)，得到光學(xué)純手性產(chǎn)品，減少有害原料和有毒產(chǎn)物。采用茂金屬催化劑合成具有設(shè)計(jì)者所要求的物理特性的高分子烯烴聚合物。藥物合成中采用超分子催化劑，并進(jìn)行分子記憶和模式識別。用生物催化法除去石油餾分中的硫、氮和金屬鹽類。有機(jī)合成中采用生物催化法，減少三廢的產(chǎn)生。在合成化學(xué)中，更多采用環(huán)境相容性的電催化過程。在固定和移動(dòng)能源中采用催化燃燒法，作為無污染動(dòng)力。合成酶應(yīng)用與燃料和化工過程。在同一體系中，采用酶、無機(jī)和金屬有機(jī)催化劑，進(jìn)行增效的多功能催化反應(yīng)。在環(huán)境-經(jīng)濟(jì)更密切結(jié)合的反應(yīng)和產(chǎn)品的分離中，廣泛應(yīng)用膜技術(shù)與多功能催化反應(yīng)器。膜技術(shù)膜技術(shù)通常包括膜分離技術(shù)和膜催化技術(shù)。膜的分類：按化學(xué)組成可分為：無機(jī)膜和有機(jī)高分子膜；按結(jié)構(gòu)可分為對稱膜（單層膜）和不對稱膜（多層復(fù)合膜）；按用途可分為分離膜和膜反應(yīng)器。

膜分離技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：成本低、能耗少、效率高、無污染、可回收有用物質(zhì)等;膜催化反應(yīng)優(yōu)點(diǎn)：可以“超平衡”地進(jìn)行,提高反應(yīng)的選擇性和原料的轉(zhuǎn)化率,節(jié)省資源,減少污染。

膜分離技術(shù)包含：微濾(MF)、超濾(UF)、滲析(D)、電滲析(ED)、納濾(NF)和反滲透(RO)、滲透蒸發(fā)(PV)、液膜(LM)等。

膜分離過程的主要型式滲析式膜分離過濾式膜分離液膜分離膜分離技術(shù)的主要特點(diǎn)：①膜分離工藝都是純物理的分離，即被分離的組分既不會(huì)有熱學(xué)性的變化也不會(huì)有學(xué)性和生物性的變化。②膜分離工藝是以組件形式構(gòu)成的，因此不同的組件可以適應(yīng)不同的生產(chǎn)能力的需要。1.植物提取（茶葉、菊粉、絞股藍(lán)、板蘭根、羅漢果、中藥等深加工）.

2.生物發(fā)酵液的分離、純化、濃縮（L-乳酸、1，3丙二醇，賴氨酸、谷氨酸、苯丙氨酸、異亮氨酸、抗生素等）.

3.牛奶深加工（乳清蛋白分離、脫鹽、純化、濃縮，乳蛋白肽分離、純化，乳制品的除菌等）

4.大豆深加工（大豆低聚糖、大豆多肽的分離、脫鹽、純化、濃縮，大豆乳的除菌、除雜等）

5.果汁的分離、濃縮（蘋果汁、梨汁、大棗汁、山楂汁、蘆薈、仙人掌等）

6.酶解低聚糖的分離、脫鹽、濃縮（如高級低聚果糖、低聚木糖、低聚異麥芽糖的純化）

7.乳化油廢水、機(jī)械加工行業(yè)廢水

8.RO水處理、工藝純水設(shè)備等

9.化工行業(yè)（化工染料的脫鹽和濃縮，液體熒光增白劑的澄清過濾、脫鹽和濃縮等）膜分離技術(shù)在食品中的應(yīng)用

AOPs主要包括O3/UV(紫外線)法、UV固相催化劑法、H2O2/Fe2+

法、O3/H2O2法等。其原理是反應(yīng)中產(chǎn)生氧化能力極強(qiáng)的·OH,·OH能夠無選擇性地氧化水中的有機(jī)污染物,使之完全礦化為CO2和H2O。

優(yōu)點(diǎn)：

通過反應(yīng)產(chǎn)生羥基自由基（?OH），該自由基具有極強(qiáng)的氧化性，能夠?qū)⒂袡C(jī)污染物有效地分解，甚至徹底地轉(zhuǎn)化為無害的小分子無機(jī)物，如CO2、N2、O2和H2O等。

反應(yīng)時(shí)間短、反應(yīng)過程可以控制、對多種有機(jī)污染物能全部降解等。缺點(diǎn)：主要是處理過程有的過于復(fù)雜、處理費(fèi)用普遍偏高、氧化劑消耗大，一般難以廣泛推廣，僅適應(yīng)于高濃度、小流量的廢水的處理。高級氧化技術(shù)(AOPs)根據(jù)所用氧化劑及催化條件，可分為六大類：（1）化學(xué)氧化法；（2）化學(xué)催化氧化法；（3）濕式氧化法；（4）超臨界水氧化法；（5）光化學(xué)氧化法和光化學(xué)催化氧化法（光降解法）；（6）電化學(xué)氧化還原法。

化學(xué)氧化法是利用化學(xué)氧化劑的強(qiáng)氧化性，將廢水中的無機(jī)物和有機(jī)物徹底氧化成無毒的小分子物質(zhì)或氣體，從而達(dá)到處理的目的?；瘜W(xué)催化氧化法是在傳統(tǒng)的濕式氧化處理工藝中，加入適宜的催化劑以降低反應(yīng)所需的溫度與壓力，提高氧化分解能力，縮短反應(yīng)時(shí)間，防止設(shè)備腐蝕和降低成本。

濕式氧化技術(shù)是在高溫高壓的條件下，以空氣中的O2為氧化劑，在液相中將有機(jī)污染物氧化為CO2和H2O等無機(jī)小分子或有機(jī)小分子的化學(xué)過程。超臨界水氧化法的主要原理是利用超臨界水作為介質(zhì)來氧化分解有機(jī)物。光降解反應(yīng)通常是指有機(jī)物在光作用下，逐步氧化成小分子中間產(chǎn)物，最終形成CO2、H2O及其他離子如NO3－、PO43－、鹵素等。電化學(xué)氧化法是使污染物在電極上發(fā)生直接的電化學(xué)反應(yīng)，或者利用電極表面產(chǎn)生的強(qiáng)氧化性活性物種使污染物發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成無害物的過程。前者叫直接電化學(xué)反應(yīng)，后者叫間接電化學(xué)反應(yīng)。微波技術(shù)

微波是指頻率為300MHz-300KMHz的電磁波，即波長在1米到1毫米之間的電磁波，是分米波、厘米波、毫米波的統(tǒng)稱。特點(diǎn)微波是一種內(nèi)加熱，加熱速度快，只需加熱的1/10~1/100的時(shí)間即可完成。受熱體系溫度均勻、無滯后效應(yīng)，熱效率高。微波對反應(yīng)體系不產(chǎn)生污染，屬于清潔技術(shù)。在無機(jī)合成中,微波主要用于燒結(jié)合成和水熱合成。微波燒結(jié)合成是指用微波輻照替代傳統(tǒng)的熱源，均勻混合的物料或預(yù)先壓制成型的料坯吸收微波能而迅速升溫，達(dá)到一定溫度后，引發(fā)燃燒合成反應(yīng)或完成燒結(jié)過程。微波燒結(jié)合成主要用與合成陶瓷。因?yàn)槲⒉Y(jié)合成具有加熱均勻、升溫速度快、而且燃燒傳播可以控制，并有利于陶瓷的焊接和加工。微波水熱合成可用于制備金屬氧化物、超細(xì)粉體材料、磁性材料、沸石分子篩材料。在有機(jī)合成中，微波由于能大大加快化學(xué)反應(yīng)的速度，縮短反應(yīng)的時(shí)間，特別是無機(jī)固體物為載體的無溶劑的微波有機(jī)合成反應(yīng)，操作簡便，溶劑用量少，產(chǎn)物易于分離純化，產(chǎn)率高。超聲波技術(shù)研究在超聲作用下引起的化學(xué)反應(yīng)或化學(xué)反應(yīng)過程的改變的化學(xué)分支學(xué)科。又稱超聲化學(xué)。特點(diǎn)：

反應(yīng)速度快、產(chǎn)率高、反應(yīng)溫度低。

用于化學(xué)反應(yīng)的超聲頻率通常為20～50千赫。聲化學(xué)效應(yīng)的實(shí)質(zhì)是氣穴作用，包括氣核的出現(xiàn)、微泡的長大和微泡的爆裂3步。在超聲作用下，流體產(chǎn)生急劇的運(yùn)動(dòng)，由于聲壓的變化，使溶劑受到壓縮和稀疏作用，在聲波的稀疏相區(qū)，氣穴膨脹長大，并為周圍的液體蒸氣或氣體充滿。在壓縮相區(qū)，氣穴很快塌陷、破裂，產(chǎn)生大量微泡，它們又可以作為新的氣核。超聲對化學(xué)反應(yīng)的影響，其主要原因就是這些微泡在長大以致突然破裂時(shí)能產(chǎn)生很強(qiáng)的沖擊波。據(jù)估算，在微泡爆裂時(shí)，可以在局部空間內(nèi)產(chǎn)生壓力可以兆計(jì)算，中心溫度可達(dá)104～106K。

超聲化學(xué)反應(yīng)可按介質(zhì)劃分為兩大類：①水相中的聲化學(xué)。

在超聲作用下，水分解為氫氧自由基和氫原子，由此可誘發(fā)出一系列化學(xué)反應(yīng)。

②非水液相中的聲化學(xué)。

研究主要集中在以下幾個(gè)方面：均相合成反應(yīng)；

金屬表面上的有機(jī)反應(yīng)；相轉(zhuǎn)移反應(yīng)；固液兩相界面反應(yīng)；聚合及高分子解聚反應(yīng)。超聲波降解有機(jī)污染物原理,當(dāng)聲能足夠強(qiáng)時(shí),在疏松的半周期內(nèi),液相分子間的吸引力被打破,形成空化核?？栈说膲勖鼮?.1μs,它在爆炸的瞬間可產(chǎn)生約4000K和100MPa的局部高溫和高壓環(huán)境,并產(chǎn)生速度約為110m/s的具有強(qiáng)烈沖擊力的射流。該條件足以使所有的有機(jī)物在空化氣泡內(nèi)發(fā)生化學(xué)鍵斷裂、高溫分解或自由基反應(yīng)而使廢水中的有機(jī)污染物降解。

等離子體技術(shù)等離子體是物質(zhì)的第四態(tài)，即電離了的“氣體”，它呈現(xiàn)出高度激發(fā)的不穩(wěn)定態(tài)，其中包括離子(具有不同符號和電荷)、電子、原子和分子。在化工生產(chǎn)中能實(shí)際應(yīng)用的等離子體，主要是指低溫等離子體。所謂低溫等離子體就是等離子氣氛的總體溫度較低，一般只有幾百度，甚至于只有幾十度，但是其中的電子溫度卻高達(dá)103～104K。特點(diǎn)：它處于非平衡態(tài)，適用非平衡態(tài)熱力學(xué)，是研究處于激發(fā)態(tài)下的高能，高活性，高速離子、電子、原子、分子、中性粒子等組成的部分電離的氣體直接或間接，部分或全部參加的化學(xué)反應(yīng)的過程。等離子體由最清潔的高能粒子組成,不會(huì)造成環(huán)境污染,對生態(tài)系統(tǒng)無不良影響。等離子體反應(yīng)迅速,反應(yīng)完全,使原料的轉(zhuǎn)化率大大提高,有可能實(shí)現(xiàn)原子經(jīng)濟(jì)反應(yīng),因此,副反應(yīng)很少,可實(shí)現(xiàn)零排放,做到清潔生產(chǎn)。由于等離子體的高能量輸入，使在常規(guī)條件下不能反應(yīng)或反應(yīng)速度極慢的體系也可以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。等離子體技術(shù)的應(yīng)用：

①等離子體機(jī)械加工。

②等離子體化工。③等離子體冶金。④等離子體表面處理。⑤氣動(dòng)熱模擬。①等離子體機(jī)械加工等離子體焊接：可用以焊接鋼、合金鋼；鋁、銅、鈦等及其合金。特點(diǎn)是焊縫平整，可以再加工,沒有氧化物雜質(zhì),焊接速度快。用于切割鋼、鋁及其合金，切割厚度大。等離子體噴涂：許多設(shè)備的部件應(yīng)能耐磨耐腐蝕、抗高溫，為此需要在其表面噴涂一層具有特殊性能的材料。用等離子體沉積快速固化法可將特種材料粉末噴入熱等離子體中熔化，并噴涂到基體（部件）上，使之迅速冷卻、固化，形成接近網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的表層，這可大大提高噴涂質(zhì)量。等離子體切割：是用電弧等離子體將被切割的金屬迅速局部加熱到熔化狀態(tài)，同時(shí)用高速氣流將已熔金屬吹掉而形成狹窄的切口。等離子體加熱切削是在刀具前適當(dāng)設(shè)置一等離子體弧，讓金屬在切削前受熱，改變加工材料的機(jī)械性能，使之易于切削。這種方法比常規(guī)切削方法提高工效5～20倍。

②等離子體化工利用等離子體的高溫或其中的活性粒子和輻射來促成某些化學(xué)反應(yīng)，以獲取新的物質(zhì)。③等離子體冶金用于冶煉用普通方法難于冶煉的材料，例如高熔點(diǎn)的鋯(Zr)、鈦(Ti)、鉭(Ta)、鈮(Nb)、釩(V)、鎢(W)等金屬；還用于簡化工藝過程，例如直接從ZrCl、MoS、TaO和TiCl中分別獲得Zr、Mo、Ta和Ti；用等離子體熔化快速固化法可開發(fā)硬的高熔點(diǎn)粉末，如碳化鎢-鈷、Mo-Co、Mo-Ti-Zr-C等粉末等離子體冶煉的優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)品成分及微結(jié)構(gòu)的一致性好，可免除容器材料的污染

④等離子體表面處理用冷等離子體處理金屬或非金屬固體表面，效果顯著。⑤氣動(dòng)熱模擬用電弧加熱器產(chǎn)生的高溫氣流，能模擬超高速飛行器進(jìn)入大氣層時(shí)所處的嚴(yán)重氣動(dòng)加熱環(huán)境，從而可用于研制適于超高速飛行器的熱防護(hù)系統(tǒng)和材料。高能輻射加工技術(shù)

輻射主要是指電子束、離子束、γ－射線、中子流及紫外線，這些射線或粒子流均是高能量的物質(zhì)，當(dāng)它們與被加工的物質(zhì)碰撞時(shí)，就將這些能量釋放，并轉(zhuǎn)移給物質(zhì)是的分子、原子，從而引發(fā)一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，使物質(zhì)發(fā)生化學(xué)變化。輻射加工的最大特點(diǎn)是:在常溫下就能引發(fā)一些必須在高溫高壓條件下才能進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)，而且這些射線最終是以能量形式參加反應(yīng)，是目前世界上最清潔的反應(yīng)物。主要研究方法：（一）輻射聚合（二）輻射交聯(lián)和降解（三）輻射接枝（四）輻射固化

（五）輻射制備復(fù)合材料（一）輻射聚合輻射聚合法是依靠電離輻射對單體作用而引發(fā)聚合,其工藝的主要特點(diǎn)是無需化學(xué)引發(fā)劑。（二）輻射交聯(lián)和降解輻射交聯(lián)，就是在輻射線的作用下，分子與分子的鏈間發(fā)生交合，進(jìn)而使分子量增大的現(xiàn)象；輻射降解，就是指聚合物在輻射線的作用下，主鏈發(fā)生斷裂，進(jìn)而使分子量下降的現(xiàn)象。（三）輻射接枝輻射接枝就是采用輻射線的能量，將一些具有特殊作用的分子基團(tuán)與高分子材料反應(yīng)，進(jìn)而使高分子材料與這些基團(tuán)結(jié)合，改善高分子材料的性質(zhì)。采用輻射接枝可以改善高分子材料的親水性、染色性、生物相容性、導(dǎo)電性、離子交換性及賦予某些特殊的功能，是一種非常有效的綠色化技術(shù)。一般分共輻射接枝和預(yù)輻射接枝兩種方法。共輻射接枝共輻射接枝是將聚合物基材Ａ和已烯單體Ｂ置于同一體系，在充分混合的條件下進(jìn)行輻射聚合。單體可以是氣體、液體或溶液，在與基材充分接觸下，輻射產(chǎn)生的自由基可直接引發(fā)鄰近單體聚合，生成接枝或嵌段共聚物，同時(shí)也有均聚物生成，預(yù)輻射接枝預(yù)輻射接枝一般在有氧或無氧的條件下，對聚合物基材進(jìn)行預(yù)輻射，然后將其與除氧的