化學與人類生活(柳一鳴)第二章化學與環(huán)境教學課件第五節(jié)綠色化學與技術

第五節(jié)綠色化學與技術一、綠色化學與技術的產生二、綠色化學與技術的內容三、綠色化學與技術的發(fā)展第五節(jié)綠色化學與技術一、綠色化學與技術的產生

目前人類正面臨著有史以來最嚴重的環(huán)境危機。由于人口急劇增加，資源消耗日益擴大，人均耕地、淡水和礦產等資源占有量逐漸減少，人口與資源的矛盾越來越尖銳；此外，人類的物質生活隨著工業(yè)化而不斷改善的同時，大量排放的生活污染物和工業(yè)污染物使人類的生存環(huán)境迅速惡化。

一、綠色化學與技術的產生目前人類正面臨著有史以來最嚴重的環(huán)境危機。由

緩解環(huán)境危機這一任務，必須依賴于綠色化學的發(fā)展。因為綠色化學是一門從源頭上阻止污染的新興化學學科分支，是徹底實現(xiàn)防止污染的基礎和重要工具。正因為如此，近年來，國際上綠色化學與技術的學術活動十分活躍。早在1994年8月的第208屆美國化學會年會上，就舉辦了專題為“DesignfortheEnvironment：ANewParadigmforthe21stCentury”的討論會，討論了環(huán)境無害化學、環(huán)境友好工藝和綠色技術。緩解環(huán)境危機這一任務，必須依賴于綠色化學的發(fā)

同年4月，在圣第亞哥舉行的美國化學會上，工業(yè)和工程化學部也有這方面的專題報告。同年2月舉行的美俄雙邊催化討論會也討論了如何利用催化技術來開發(fā)環(huán)境無害工藝。1995年4月美國副總統(tǒng)Gore宣布了國家環(huán)境技術戰(zhàn)略，其目標為：至2020年地球日時，將廢棄物減少40%—50%，每套裝置消耗原材料減少20%—25%。1995年美國設立了總統(tǒng)綠色化學挑戰(zhàn)獎，1996年7月美國總統(tǒng)第一屆綠色化學挑戰(zhàn)獎在華盛頓國家科學院頒發(fā)。授予4家化學公司與l位化學工程教授，獎勵他們利用化學基本原理從根本上減少環(huán)境污染的成就。1996年哥頓會議(GordonConference)第一次以環(huán)境無害有機合成為主題召開，討論了原子經濟、環(huán)境無害溶劑等。這是在世界高學術水平的學術論壇上首次討論綠色化學專題。同年4月，在圣第亞哥舉行的美國化學會上

美國化學會在213屆全國會議上，召開了“GreenChemistry/EnvirmentallySustainableManufactureandCompetitiveAdvantage”。1997年6月召開了“GreenChemistryandEngineeringConference”，主題為ImplementingVision2020。1997年8月在英國召開了1997年哥頓會議。這些會議都討論了環(huán)境無害溶劑、環(huán)境無害催化、在清潔環(huán)境中的合成和加工、生物加工與可再生資源、過程分析化學等問題。這些政府或學術機構行為都極大地促進了綠色化學的蓬勃發(fā)展。美國化學會在213屆全國會議上，召開了“Gre

我國在1993年世界環(huán)境與發(fā)展大會之后，編制了《中國21世紀議程》的政府白皮書，鄭重聲明走經濟與社會協(xié)調發(fā)展的道路，1995年中國科學院化學部確定了《綠色化學與技術》院士咨詢課題，1996年6月在北京召開了“工業(yè)生產中的綠色化學與技術”研討會，1997年國家自然科學基金委員會與中國石油化工總公司經過協(xié)商并決定聯(lián)合資助“九五”重大研究項目“環(huán)境友好石油化工催化化學與化學反應工程”，中國科學技術大學綠色科技研究與開發(fā)中心于1997年3月在該校舉行了專題討論會，并出版了“當前綠色科技中的—些重大問題”論文集。我國在1993年世界環(huán)境與發(fā)展大會之后，編制了《1997年5月13—16日舉行了“可持續(xù)發(fā)展問題對科學的挑戰(zhàn)——綠色化學”為主題的香山科學會議第72次學術討論會。會議的中心議題為：可持續(xù)發(fā)展對物質科學的挑戰(zhàn)；化學工業(yè)中的綠色革命；綠色科技中的一些重大科學問題和中國綠色化學發(fā)展戰(zhàn)略。1997年5月13—16日舉行了“可持續(xù)發(fā)展問題

1998年，在合肥舉辦了第一屆國際綠色化學高級研討會；四川聯(lián)合大學也成立了綠色化學與技術研究中心，上述活動有效推動了我國綠色化學的發(fā)展。

總之，綠色化學的研究和發(fā)展已經引起了聯(lián)合國和世界各國政府的高度重視和注意，也已成為國內外企業(yè)和學術界的重要研究與開發(fā)方向。綠色化學是根治環(huán)境污染的必由之路，既是社會發(fā)展的需要，也是化學學科發(fā)展的必然。對于我國，既是嚴峻的挑戰(zhàn)，也是難得的發(fā)展機遇。1998年，在合肥舉辦了第一屆國際綠色化學二、綠色化學與技術的內容

綠色化學又稱環(huán)境無害化學、環(huán)境友好化學、清潔化學。在其基礎上發(fā)展起來的技術稱為環(huán)境友好技術、綠色技術或潔凈技術。綠色化學與技術即是用化學的技術和方法去減少或消滅那些對人類健康、社區(qū)安全、生態(tài)環(huán)境有害的原料、催化劑、溶劑和試劑、產物、副產物等的使用和產生。主要特點是“原子經濟性”，即在獲取新物質的轉化過程中充分利用每個原料原子，實現(xiàn)“零排放”，因此可以充分利用資源，又不產生污染。

二、綠色化學與技術的內容綠色化學又稱環(huán)境無

1．原子經濟性2．環(huán)境友好的化學反應3．采用超臨界流體作溶劑(采用無毒無害的溶劑)4．研制對環(huán)境無害的新材料和新燃料5．計算機輔助的綠色化學設計1．原子經濟性綠色化學的研究

1．原子經濟性原料綠色化無毒無害原料可再生資源材料化學反應的綠色化“原子經濟反應”“提高反應選擇性”產品的綠色化實現(xiàn)零排放和零污染催化劑的綠色無毒無害催化劑溶濟的綠色化無毒無害溶濟綠色化學的研究1．原子經濟性原料綠色化無毒無害原料可再生資

上述循環(huán)就是理想的綠色化學反應，原料綠色化無毒無害原料可再生資源材料化學反應的綠色化?！霸咏洕磻薄疤岣叻磻x擇性”產品的綠色化實現(xiàn)零排放和零污染催化劑的綠色化，無毒無害催化劑溶濟的綠色無毒無害溶濟理想的原子經濟反應是原料分子中的原子百分之百地轉變成產物，不產生副產物或廢物，實現(xiàn)廢物的“零排放”。最理想的原子經濟反應是加成反應。在許多場合，要用單一反應來實現(xiàn)原子經濟性十分困難，甚至不可能。我們可以充分利用相關化學反應的集成，即把一個反應排出的廢物作為另一個反應的原料，從而通過“封閉循環(huán)”實現(xiàn)零排放。上述循環(huán)就是理想的綠色化學反應2．環(huán)境友好的化學反應

在傳統(tǒng)化學反應中常常使用一些有毒有害的原料，如氰化氫、丙烯氰、甲醛、環(huán)氧乙烷和光氣等。它們嚴重地污染環(huán)境，危害人類的健康和安全。綠色化學的任務之一就是用無毒無害的原料代替它們來生產各種化工產品。如用二氧化碳代替劇毒的光氣作原料生產有機化工原料，在這一技術中，使用鄰磺基甲酸酐作為脫水劑，生產中不使用光氣也不生產鹽類廢料。由環(huán)氧化物和二氧化碳生產聚脂酸已由PAC聚合物公司工業(yè)化。由二氧化碳代替光氣生產氨基甲酸脂和取代脲的技術也已開發(fā)成功，正待工業(yè)化。

2．環(huán)境友好的化學反應

在傳統(tǒng)化學反應中

另外，科學家們也在研究如何以酶為催化劑，以生物質為原料生產有機化合物。酶反應大都條件溫和，設備簡單，選擇性好，副反應少，產品性質優(yōu)良，又不形成新的污染。因此，用酶催化是綠色化學在目前研究的一個重點。

另外，科學家們也在研究如何以酶為催化劑，

3.采用超臨界流體作溶劑

揮發(fā)性有機化物(VOC)廣泛用作化學合成的溶劑，并在涂料和泡沫塑料的發(fā)泡劑中使用，它們是環(huán)境的嚴重污染源。綠色化學研究的一個重點就是用無毒無害的液體代替這些揮發(fā)性有機化合物作溶劑，目前正在研究把超臨界流體溶劑用于化學合成中。

3.采用超臨界流體作溶劑揮發(fā)當二氧化碳被壓縮成液體，或超過其臨界點成為超臨界流體時，具有許多優(yōu)良性能，可成為一種優(yōu)秀的綠色化學溶劑。它無毒、不可燃、價廉，而且可以使許多反應的速度加快或選擇性增加。采用超臨界二氧化碳代替有機溶劑作為油漆、涂料的噴霧劑和泡沫塑料的發(fā)泡劑也已經取得較大進展，有的已經在工業(yè)上應用。例如DOW化學公司已開發(fā)成功采用超臨界二氧化碳代替氟氯烴作為苯乙烯泡沫塑料包裝材料的發(fā)泡劑。研究超臨界流體溶劑，不僅有可能代替揮發(fā)性有機化合物從而消除它們對環(huán)境的污染，而且正在發(fā)展成為一個化學和物理學、流體力學的交叉學科領域。當二氧化碳被壓縮成液體，或超過其臨界點成為超臨界流體時，具有4．研制對環(huán)境無害的新材料和新燃料

工業(yè)的發(fā)展為人類提供了許多新材料，它們在不斷改善人類的物質生活的同時，也產生了大量生活垃圾和工業(yè)垃圾，使人類的生存環(huán)境迅速惡化。為了既不降低人類的物質生活水平，又不破壞環(huán)境，我們必須研制對環(huán)境無害的新材料和新燃料。以塑料為例，我國也大量使用塑料包裝，而且在農村還廣泛地使用塑料大棚和地膜。這類塑料廢物造成的“白色污染”在我國越來越嚴重。解決這個問題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。目前國際上已有一些成功的方法，例如光降解塑料和生物降解塑料。前者已有美國杜邦公司生產。4．研制對環(huán)境無害的新材料和新燃料

工業(yè)的發(fā)展為我國“八五”科技攻關的一個重大項目就是光生物雙降解塑料。機動車燃燒汽油和柴油產生的廢氣(CO、NOx)等是大氣污染的一大根源。一些國家為保護環(huán)境，對汽油和柴油的質量制定了嚴格的規(guī)格指標。然而，美國Texaco公司找到了一種新的化合物作汽油添加劑，它能使發(fā)動機防垢和清潔。由于較清潔的燃燒室滯熱少，因而溫度較低，導致NOx的產率較少，從而使汽車尾氣的NOx排放量下降了22%。我國“八五”科技攻關的一個重大項目就是光生物雙降解塑料。機動5．計算機輔助的綠色化學設計

計算機輔助設計的作法是首先建立一個已知的有機合成反應盡可能全的資料庫，然后在確定目標產物后，第一步找出一切可產生目標產物的反應；第二步又把這些反應的原料作為中間目標產物找出一切可產生它們的反應，依此類推下去，直到得出一些反應路線，使它們正好使用我們預定的原料。在搜索過程中，計算機按我們制定的評估方法自動地比較所有可能的反應途徑，隨時排出適合的產物，以便最終找出價廉、物美、不浪費資源、不污染環(huán)境的最佳途徑。5．計算機輔助的綠色化學設計

計算機輔助過去傳統(tǒng)的功能化學品的設計，只重視了功能的設計，忽略了對環(huán)境及人類危害的考慮，而在綠色化學品的設計中，要求產品功能與環(huán)境影響并重。設計、研制新產品時，一般要考慮下面因素：物質的結構與活性的關系，避免采用毒性功能基團，生物吸收量最小化，使輔助的物質最小化。過去傳統(tǒng)的功能化學品的設計，只重視了功能

綠色化學品的設計方面已取得較大的成績，如目前已研究并開發(fā)了生物降解的塑料、高選擇性的新型殺蟲劑（高效低毒化學農藥、生物農藥等）和綠色涂料(節(jié)能、低污染涂料，如高固含量溶劑型涂料、水基涂料、粉塵涂料、液體無溶劑涂料)。但要得到真正實用的計算機輔助綠色化學設計軟件，還需進行大量工作。首先，把迄今已知的所有化學反應整理輸入資料庫工程浩大；其次，要制定正確適用的評估程序也非易事。隨著分子結構與性能數(shù)據(jù)庫的建立及分子模擬技術的發(fā)展，在化學分子設計、合成設計、實驗控制與模擬中逐漸有了理想工具，利用大量實驗數(shù)據(jù)進行綜合分析，建立結構-活性關聯(lián)的分子模型，從而避免了茫然無邊的實驗探索，減少了能源和材料浪費以及由此造成的環(huán)境污染，為綠色化學品的設計提供保障。綠色化學品的設計方面已取得較大的成績，如三、綠色化學與技術的發(fā)展

從總體上說，綠色化學的目標有兩個：一是改進現(xiàn)有化學工業(yè)，減少和消除污染；一是開發(fā)以“原子經濟性”為基本原則的新化學反應過程。其主要發(fā)展有；1．新的化學反應過程研究2．傳統(tǒng)化學過程的綠色化學改造

3．能源中的綠色化學問題和潔凈煤化學技術4．資源再生和循環(huán)使用技術研究5．綜合利用的綠色生化工程三、綠色化學與技術的發(fā)展從總體上說，綠色1．新的化學反應過程研究

在原子經濟性和可持續(xù)發(fā)展的基礎上研究合成化學和催化的基礎問題，即綠色合成和綠色催化問題。如美國Monsanto公司不用劇毒的氫氰酸和氨、甲醛為原料，從無毒無害的二乙醇胺出發(fā)，開發(fā)了催化脫氫安全生產氨基二乙酸鈉的技術，從而獲得了1996美國總統(tǒng)綠色化學挑戰(zhàn)獎中的變更合成路線獎。1．新的化學反應過程研究在原子經濟性和可持續(xù)發(fā)展美國Dow化學公司用CO2代替對生態(tài)環(huán)境有害的氟氯烴作苯乙烯泡沫塑料的發(fā)泡劑，因而得到美國總統(tǒng)綠色化學挑戰(zhàn)獎中的改變溶劑/反應條件獎。在有機化學品的生產中，有許多新的化學流程正在研究開發(fā)，如以新型鈦硅分子篩為催化劑，開發(fā)烴類氧化反應；用過氧化氫氧化丙烯制環(huán)氧丙烷；用過氧化氫氧化環(huán)己酮合成環(huán)己酮肟；用催化劑的晶格氧作烴類選擇性氧化反應的氧化劑，如用晶格氧氧化丁烷制順酐，用晶格氧氧化鄰二甲苯制苯酐等，這些新流程的開發(fā)是綠色化學領域中的新進展。美國Dow化學公司用CO2代替對生態(tài)環(huán)境有害的氟2．傳統(tǒng)化學過程的綠色化學改造

這是一個很大的開發(fā)領域。如在烯烴的烷基化反應生產乙苯和異丙苯生產過程中需要用酸催化反應，過去用液體酸HF催化劑，而現(xiàn)在可以用固體酸—分子篩催化合成，并配合固定床烷基化工藝，解決了環(huán)境污染問題。在異氰酸酯的生產過程，過去一直是用劇毒的光氣作為合成原料，而現(xiàn)可用CO2和胺催化合成異氰酸酯，使其成為環(huán)境友好的化學工藝。2．傳統(tǒng)化學過程的綠色化學改造

這是3．能源中的綠色化學問題和潔凈煤化學技術

我國現(xiàn)今能源結構中，煤是主要能源。由于煤含硫量高和燃燒不完全，造成SO2和大量煙塵排出使大氣污染，由SO2而產生的酸雨對生態(tài)環(huán)境的破壞十分嚴重。因此研究和開發(fā)潔凈煤化學是當務之急。這需要重視研究催化燃燒，等離子除塵除硫，生物化學除硫等新技術。3．能源中的綠色化學問題和潔凈煤化學技術4．資源再生和循環(huán)使用技術研究

自然界的資源有限，因此人類生產的各種化學品能否回收、再生和循環(huán)使用也是綠色化學研究的—個重要領域。世界塑料的年產量已達1億噸，大部分是由石油裂解成乙烯、丙烯，經催化聚合而成的。而這1億噸中約有5%經使用后當年就作為廢棄物排放，如包裝袋、地膜、飯盒、汽車垃圾等。我國推廣地膜覆蓋面積達7000萬畝，塑料用量高達30萬噸，“白色污染”和石油資源浪費十分嚴重。4．資源再生和循環(huán)使用技術研究自然界的資源有限西歐各國提出三R原則：首先是降低(r