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

第五節(jié)綠色化學(xué)與技術(shù)一、綠色化學(xué)與技術(shù)的產(chǎn)生二、綠色化學(xué)與技術(shù)的內(nèi)容三、綠色化學(xué)與技術(shù)的發(fā)展第五節(jié)綠色化學(xué)與技術(shù)一、綠色化學(xué)與技術(shù)的產(chǎn)生

目前人類正面臨著有史以來最嚴(yán)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(chǎn)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(zhì)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(xué)與技術(shù)的產(chǎn)生目前人類正面臨著有史以來最嚴(yán)重的環(huán)境危機。由

緩解環(huán)境危機這一任務(wù)，必須依賴于綠色化學(xué)的發(fā)展。因為綠色化學(xué)是一門從源頭上阻止污染的新興化學(xué)學(xué)科分支，是徹底實現(xiàn)防止污染的基礎(chǔ)和重要工具。正因為如此，近年來，國際上綠色化學(xué)與技術(shù)的學(xué)術(shù)活動十分活躍。早在1994年8月的第208屆美國化學(xué)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(xué)、環(huán)境友好工藝和綠色技術(shù)。緩解環(huán)境危機這一任務(wù)，必須依賴于綠色化學(xué)的發(fā)

同年4月，在圣第亞哥舉行的美國化學(xué)會上，工業(yè)和工程化學(xué)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(shù)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(shù)戰(zhàn)略，其目標(biāo)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(shè)立了總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎，1996年7月美國總統(tǒng)第一屆綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎在華盛頓國家科學(xué)院頒發(fā)。授予4家化學(xué)公司與l位化學(xué)工程教授，獎勵他們利用化學(xué)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(jīng)濟、環(huán)境無害溶劑等。這是在世界高學(xué)術(shù)水平的學(xué)術(shù)論壇上首次討論綠色化學(xué)專題。同年4月，在圣第亞哥舉行的美國化學(xué)會上

美國化學(xué)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(xué)等問題。這些政府或?qū)W術(shù)機構(gòu)行為都極大地促進(jìn)了綠色化學(xué)的蓬勃發(fā)展。美國化學(xué)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(jì)議程》的政府白皮書，鄭重聲明走經(jīng)濟與社會協(xié)調(diào)發(fā)展的道路，1995年中國科學(xué)院化學(xué)部確定了《綠色化學(xué)與技術(shù)》院士咨詢課題，1996年6月在北京召開了“工業(yè)生產(chǎn)中的綠色化學(xué)與技術(shù)”研討會，1997年國家自然科學(xué)基金委員會與中國石油化工總公司經(jīng)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(xué)與化學(xué)反應(yīng)工程”，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(dāng)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(xué)的挑戰(zhàn)——綠色化學(xué)”為主題的香山科學(xué)會議第72次學(xué)術(shù)討論會。會議的中心議題為：可持續(xù)發(fā)展對物質(zhì)科學(xué)的挑戰(zhàn)；化學(xué)工業(yè)中的綠色革命；綠色科技中的一些重大科學(xué)問題和中國綠色化學(xué)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(xué)高級研討會；四川聯(lián)合大學(xué)也成立了綠色化學(xué)與技術(shù)研究中心，上述活動有效推動了我國綠色化學(xué)的發(fā)展。

總之，綠色化學(xué)的研究和發(fā)展已經(jīng)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(nèi)外企業(yè)和學(xué)術(shù)界的重要研究與開發(fā)方向。綠色化學(xué)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(xué)學(xué)科發(fā)展的必然。對于我國，既是嚴(yán)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(xué)二、綠色化學(xué)與技術(shù)的內(nèi)容

綠色化學(xué)又稱環(huán)境無害化學(xué)、環(huán)境友好化學(xué)、清潔化學(xué)。在其基礎(chǔ)上發(fā)展起來的技術(shù)稱為環(huán)境友好技術(shù)、綠色技術(shù)或潔凈技術(shù)。綠色化學(xué)與技術(shù)即是用化學(xué)的技術(shù)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(chǎn)物、副產(chǎn)物等的使用和產(chǎn)生。主要特點是“原子經(jīng)濟性”，即在獲取新物質(zhì)的轉(zhuǎn)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(chǎn)生污染。

二、綠色化學(xué)與技術(shù)的內(nèi)容綠色化學(xué)又稱環(huán)境無

1．原子經(jīng)濟性2．環(huán)境友好的化學(xué)反應(yīng)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(xué)設(shè)計1．原子經(jīng)濟性綠色化學(xué)的研究

1．原子經(jīng)濟性原料綠色化無毒無害原料可再生資源材料化學(xué)反應(yīng)的綠色化“原子經(jīng)濟反應(yīng)”“提高反應(yīng)選擇性”產(chǎn)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(xué)的研究1．原子經(jīng)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(xué)反應(yīng)，原料綠色化無毒無害原料可再生資源材料化學(xué)反應(yīng)的綠色化?！霸咏?jīng)濟反應(yīng)”“提高反應(yīng)選擇性”產(chǎn)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(jīng)濟反應(yīng)是原料分子中的原子百分之百地轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物，不產(chǎn)生副產(chǎn)物或廢物，實現(xiàn)廢物的“零排放”。最理想的原子經(jīng)濟反應(yīng)是加成反應(yīng)。在許多場合，要用單一反應(yīng)來實現(xiàn)原子經(jīng)濟性十分困難，甚至不可能。我們可以充分利用相關(guān)化學(xué)反應(yīng)的集成，即把一個反應(yīng)排出的廢物作為另一個反應(yīng)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(xué)反應(yīng)2．環(huán)境友好的化學(xué)反應(yīng)

在傳統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)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(yán)重地污染環(huán)境，危害人類的健康和安全。綠色化學(xué)的任務(wù)之一就是用無毒無害的原料代替它們來生產(chǎn)各種化工產(chǎn)品。如用二氧化碳代替劇毒的光氣作原料生產(chǎn)有機化工原料，在這一技術(shù)中，使用鄰磺基甲酸酐作為脫水劑，生產(chǎn)中不使用光氣也不生產(chǎn)鹽類廢料。由環(huán)氧化物和二氧化碳生產(chǎn)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(chǎn)氨基甲酸脂和取代脲的技術(shù)也已開發(fā)成功，正待工業(yè)化。

2．環(huán)境友好的化學(xué)反應(yīng)

在傳統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)中

另外，科學(xué)家們也在研究如何以酶為催化劑，以生物質(zhì)為原料生產(chǎn)有機化合物。酶反應(yīng)大都條件溫和，設(shè)備簡單，選擇性好，副反應(yīng)少，產(chǎn)品性質(zhì)優(yōu)良，又不形成新的污染。因此，用酶催化是綠色化學(xué)在目前研究的一個重點。

另外，科學(xué)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(xué)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(yán)重污染源。綠色化學(xué)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(xué)合成中。

3.采用超臨界流體作溶劑揮發(fā)當(dāng)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(xué)溶劑。它無毒、不可燃、價廉，而且可以使許多反應(yīng)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(jīng)取得較大進(jìn)展，有的已經(jīng)在工業(yè)上應(yīng)用。例如DOW化學(xué)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(xué)和物理學(xué)、流體力學(xué)的交叉學(xué)科領(lǐng)域。當(dāng)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(zhì)生活的同時，也產(chǎn)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(zhì)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(nóng)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(yán)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(chǎn)。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(guān)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(chǎn)生的廢氣(CO、NOx)等是大氣污染的一大根源。一些國家為保護(hù)環(huán)境，對汽油和柴油的質(zhì)量制定了嚴(yán)格的規(guī)格指標(biāo)。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(dǎo)致NOx的產(chǎn)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(guān)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(xué)設(shè)計

計算機輔助設(shè)計的作法是首先建立一個已知的有機合成反應(yīng)盡可能全的資料庫，然后在確定目標(biāo)產(chǎn)物后，第一步找出一切可產(chǎn)生目標(biāo)產(chǎn)物的反應(yīng)；第二步又把這些反應(yīng)的原料作為中間目標(biāo)產(chǎn)物找出一切可產(chǎn)生它們的反應(yīng)，依此類推下去，直到得出一些反應(yīng)路線，使它們正好使用我們預(yù)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(yīng)途徑，隨時排出適合的產(chǎn)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(xué)設(shè)計

計算機輔助過去傳統(tǒng)的功能化學(xué)品的設(shè)計，只重視了功能的設(shè)計，忽略了對環(huán)境及人類危害的考慮，而在綠色化學(xué)品的設(shè)計中，要求產(chǎn)品功能與環(huán)境影響并重。設(shè)計、研制新產(chǎn)品時，一般要考慮下面因素：物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與活性的關(guān)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(zhì)最小化。過去傳統(tǒng)的功能化學(xué)品的設(shè)計，只重視了功能

綠色化學(xué)品的設(shè)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(xué)農(nóng)藥、生物農(nóng)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(xué)設(shè)計軟件，還需進(jìn)行大量工作。首先，把迄今已知的所有化學(xué)反應(yīng)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(jié)構(gòu)與性能數(shù)據(jù)庫的建立及分子模擬技術(shù)的發(fā)展，在化學(xué)分子設(shè)計、合成設(shè)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(jìn)行綜合分析，建立結(jié)構(gòu)-活性關(guān)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(xué)品的設(shè)計提供保障。綠色化學(xué)品的設(shè)計方面已取得較大的成績，如三、綠色化學(xué)與技術(shù)的發(fā)展

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

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

在原子經(jīng)濟性和可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)上研究合成化學(xué)和催化的基礎(chǔ)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(chǎn)氨基二乙酸鈉的技術(shù)，從而獲得了1996美國總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎中的變更合成路線獎。1．新的化學(xué)反應(yīng)過程研究在原子經(jīng)濟性和可持續(xù)發(fā)展美國Dow化學(xué)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(xué)挑戰(zhàn)獎中的改變?nèi)軇?反應(yīng)條件獎。在有機化學(xué)品的生產(chǎn)中，有許多新的化學(xué)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(yīng)；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(yīng)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(xué)領(lǐng)域中的新進(jìn)展。美國Dow化學(xué)公司用CO2代替對生態(tài)環(huán)境有害的氟2．傳統(tǒng)化學(xué)過程的綠色化學(xué)改造

這是一個很大的開發(fā)領(lǐng)域。如在烯烴的烷基化反應(yīng)生產(chǎn)乙苯和異丙苯生產(chǎn)過程中需要用酸催化反應(yīng)，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(chǎn)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(xué)工藝。2．傳統(tǒng)化學(xué)過程的綠色化學(xué)改造

這是3．能源中的綠色化學(xué)問題和潔凈煤化學(xué)技術(shù)

我國現(xiàn)今能源結(jié)構(gòu)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(chǎn)生的酸雨對生態(tài)環(huán)境的破壞十分嚴(yán)重。因此研究和開發(fā)潔凈煤化學(xué)是當(dāng)務(wù)之急。這需要重視研究催化燃燒，等離子除塵除硫，生物化學(xué)除硫等新技術(shù)。3．能源中的綠色化學(xué)問題和潔凈煤化學(xué)技術(shù)4．資源再生和循環(huán)使用技術(shù)研究

自然界的資源有限，因此人類生產(chǎn)的各種化學(xué)品能否回收、再生和循環(huán)使用也是綠色化學(xué)研究的—個重要領(lǐng)域。世界塑料的年產(chǎn)量已達(dá)1億噸，大部分是由石油裂解成乙烯、丙烯，經(jīng)催化聚合而成的。而這1億噸中約有5%經(jīng)使用后當(dāng)年就作為廢棄物排放，如包裝袋、地膜、飯盒、汽車?yán)?。我國推廣地膜覆蓋面積達(dá)7000萬畝，塑料用量高達(dá)30萬噸，“白色污染”和石油資源浪費十分嚴(yán)重。4．資源再生和循環(huán)使用技術(shù)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