绿色化学——第二章 绿色化学研究内容及评价标准

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绿色化学研究内容
过程强化与耦合技术 反应与分离的耦合使反应与分离在同一区域完成，且彼 此性能更佳：如反应物的不断动态移走使反应平衡发生 移动，而反应的顺利进行有利于分离效率的进一步提高。 反应与分离的耦合可缩短整个反应时间，减少中间产物 与反应体系之间的分离和提纯，充分有效利用反应器， 减少中间产物的损失。特别是对于不稳定的中间物种， 通过原位生成中间物种立即用于下个反应中，可充分提 高中间物种的利用效率，对于同时存在吸热和放热反应 来说，放热反应的热量可以填补或部分填补吸热反应的 需要。
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绿色化学研究内容
绿色化工过程系统集成 从分子一聚集体一颗粒一界面一单元一过程一工厂一工 业园的全过程 主要研究与“化学供应链”相关的过程工程或产品工程 的创造、模拟、优化、分析、合成/集成、设计和控制 等问题，并将环境、健康和安全对过程或产品的影响作 为约束条件或目标函数嵌入模型中，以多目标、多变量、 非线性为重要特征，以全系统的经济、环境和资源的协 调最优为最终目标
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绿色化学研究内容
原料的绿色化 利用可再生资源做为原料 如超临界二氧化碳加氢生成 甲酸 采用低毒或无毒无害的原料代替高毒原料 如在羰基化 反应中用碳酸二甲酯（DMC）代替剧毒的光气(COCl2) 绿色氧化剂如氧气、双氧水因最终的氧化产物为水，已 经在多类反应过程中替代传统的氧化剂，反应条件更加 温和，选择性更高 酶反应大多条件温和，设备简单，选择性好，副反应少， 产品性质优良，不产生新的污染，酶将取代许多现在使 用的化学催化剂
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绿色化学技术
膜技术 包括膜分离技术和膜催化技术。膜分离技术包含微滤 （MF）、超滤（UF）、渗析（D）、电渗析（ED）、 纳滤（NF）和反渗透（RO）、渗透蒸发（PV）、液膜 （LM）等。 膜分离技术具有成本低、能耗少、效率高、无污染、可 回收有用物质等优点 膜催化反应可以“超平衡”地进行，提高反应的选择性 和原料的转化率，节省资源，减少污染。
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绿色化学产品及过程绿色度的定量评估
原子经济性和反应速率立足于化学反应本身 环境因子给出废弃物的量 环境熵衡量环境友好生产过程的程度 生命周期评价从系统的角度给出了产品形成的全过程
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绿色化学技术
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绿色化学研究内容
新型分离技术 在美 国各 种分离过程耗费了工业所消耗能源总量的 6%，占工厂花费的70% 分离追求的目标是节省能源、减少废物、避免废物盐的 产生、减少循环、避免或减少有机溶剂的使用等 超临界流体萃取、分子蒸馏以及膜的使用以及生物分子 和大分子的分离是研究的焦点
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绿色化学研究内容
计算化学与绿色化学化工结合 借助于量子化学计算的结果，精确地选择底物分子、催 化剂、溶剂以及反应途径，使用尽可能少的实验达到预 期目标，大大减少实验次数，在研发阶段从根本上减少 了原料的消耗，相应减少环境污染的排放，大大提高研 究效率。 模拟是绿 色化工技术开发的重要工具，是在计算机上 快速建立试验模型，具有比实验室和工厂成本低和快速 的特点，将重点用于研究原料、反应器设计、过程开发、 经济和商业模型模拟等复杂问题
CrystalFaraday协会在2004年提出8个技术领域 绿色产品设计 原料 反应 催化 溶剂 工艺改进 分离技术 实现技术
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绿色化学研究内容
绿色产品设计 原则 全生命周期设计、再循环和再使用设计、降低原料和能 量消耗设计以及利用计算机技术设计 问题 只考虑自己直接控制的产品生命周期部分，造成化工产 品全生命周期的想法尚不能深入化学工业界 绿色化设计的积极性急需提升，企业被大环境所逼而致 绿色化设计的标准和方法尚未建立
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绿色化学产品及过程绿色度的定量评估
评价标准 环境因子 该指 标 考 察化学品制备全过程对环境造成的影响，由 荷兰著名学者Sheldon于1992年提出。指全过程中所 产生的废物质量与目标产物质量的比值。 不仅针对副产物，还包括了在纯化过程中所产生的各类 物质，如中和反应时产生的无机盐和各类计量试剂等。 往往步骤越多，伴随生成物也越多，产品越精细，附加 值越高，E值也越大。 环境 因 子 虽然考虑了全过程所产生的废弃物，但这些 废弃物排放到环境后，不同类型的废弃物对环境的污染 程度不同，应该有不同的权重。
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绿色溶剂 离子液体 没有电中心分子，且完全由阳离子和阴离子组成的液 态物质，熔点通常低于100一150℃。 特点：几乎没有蒸气压，不挥发，无色，无嗅；具有较大的稳定 温度范围，较好的化学稳定性及较宽的电化学稳定电位窗口；通 过阴阳离子的设计可调节其对有机物、水、有机物及聚合物的溶 解性，酸度可调至超强酸 无溶剂有机反应 反应的发生起源于两个反应物分子的扩散接触， 接着发生反应，生成产物分子。此时生成的产物分子作为一种杂 质和缺陷分散在母体反应物中，当产物分子聚集到一定大小，出 现产物的晶核，并逐步长大至少立晶相。微波与无溶剂反应技术 相结合，具有安全、快速、易操作、选择性好的特点
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绿色溶剂 超临界流体 温度和压力处于临界条件以上的流体， 密度接近液体而粘度却接近气体，扩散系数比液体大 10倍左右。 固定化溶剂 用聚合物充当溶剂，这类聚合物与常规用 于化学合成、分离和清除等过程中的溶剂有类似的溶剂 化性能。既可以保持溶解性，又不挥发，避免溶剂的挥 发性对人和环境的影响。可将溶剂分子束缚在固定载体 上，或者直接将溶剂分子键在聚合物链上作固体化溶剂。
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过程强化与耦合技术 在常规化学反应基础上，采用新技术进行过程强化，可 使反应得以强化。 微波应用于有机反应，能大大加快化学反应的速度，缩 短反应时间，具有产物易于分离、产率高等优点 超声波能加快反应速度、缩短反应时间、提高产率和反 应选择性、反应条件温和等特点，广泛应用于有机合成。 紫外光和可见光对于某些材料，如二氧化钛、半导体等， 具有激发其介电子的某些能带的作用，光源本身及受光 源激发的材料具有良好的氧化性能，已广泛用于氧化反 应、污染物处理等
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绿色化学产品及过程绿色度的定量评估
评价标准 原 子 经济性 该指标考虑参加反应的原料利用率 (Atom Utilization， 简称AU) ，即为目的产物的摩尔质量与所有反应物摩尔 质量之和的比值 考察原料分子中究竟有多少转化为产物，其目标主要在 于设计化学反应时，应使原料分子中的原子最大限度或 全部进入目的产物中 原子 经 济 性仅给出了原料中的原子转化为目的产物的 情况，但没有考察到合成过程中中间步骤所使用的各类 试剂和助剂的情况
生物技术 包括基因工程、细胞工程、酶工程和微生物工程， 最大特点在于能充分利用生物质资源，节约能源，易于 实现清洁生产，而且可以实现一般化工技术难以实现的 化工过程 催化技术 酶催化：反应条件温和，控制容易，副反应少，环境污 染小 纳米催化剂：催化活性和选择性都大大优于常规催化剂 光催化氧化法设备简单，操作条件易控制，氧化能力强， 无二次污染
绿色化学研究内容
从科 学 的 观点看，绿色化学是化学和化工科学基础内 容的更新，是基于环境友好约束下化学和化工的融合和 拓展 从环境观点看，它是从源头上消除污染 从经济观点看，它要求合理地利用资源和能源、降低生 产成本，符合经济可持续发展的要求
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绿色化学研究内容
绿色产品设计步骤 建立一个已知的有机合成反应尽可能全的资料库 确定目标产物，找出一切可产生目标产物的反应 将这些反应的原料作为中间目标产物找出一切可产生它 们的反应 依此类推下去，直到得出一些反应路线正好使用预定的 原料 在搜索过程中，计算机按评估方法自动比较所有可能的 反应途径，随时排出不适合的，以便最终找出价廉物美、 不浪费资源、不污染环境的最佳途径
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绿色化学研究内容
绿色催化剂 生物催化剂 在生物细胞中形成可加速体内化学反应的物质。以酶为 主，具有反应步骤少、催化效率高、副产物少和产物易 分离纯化等优点。用于有机酸、氨基酸、核苷酸、抗生 素和甾体激素等化合物的工业化生产 固体酸碱催化剂 有效地减少甚至避免对环境的污染，同时也容易回收。 如日本东京技术研究院合成硫酸基团密度较高的碳基同 体酸催化剂，可有效催化水解、酯化、烷基化、水合以 及重排等，易于从反应产物中移除，避免无机酸带来的 废水处理问题
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绿色化学研究内容09 绿色化学研究内容
绿色合成工艺 利用绿色能源 再生能源如太阳能、风能等 资源再生和循环使用技术 自然界的资源自限，回收、再生和循环使用各种化学品 也是绿色化学研究的一个重要领域。如回收废弃塑料， 再生或再生产其他化学品、燃料油或焚烧发电供气；设 计合理的工业生产流程，使每一个反应所产生的废物成 为另一个反应的原料，以实现废物”零排放”的目的。
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绿色化学技术
高级氧化技术 包括O3/UV（紫外线）法、UV 固相催化剂法、 H2O2/Fe2+法、H2O2/O3法等。 其原理是反应中产生氧化能力极强的OH， OH能够无 选择性地氧化水中的有机污染物
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绿色化学研究任务
设计安全有效的目标分子 寻找安全有效的反应原料 寻找安全有效的合成路线 寻找新的转化方法 寻找安全有效的反应条件
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绿色化学产品及过程绿色度的定量评估
考虑因素 是否产生污染、对人类健康有害 原料资源是否得到有效利用 是否可以再生 是否能促进经济、社会的可持续发展
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绿色化学产品及过程绿色度的定量评估
评价标准 生命周期评价 根据产品评价的目标(如技术、经济、环境性能等)，对 产品生命周期的各个阶段进行跟踪和定量分析与定性评 价，从而获得产品相关信息的总体情况，为产品性能的 改进提供完整、准确的信息。 范围包括从最初的原材料采掘、生产到产品制造、使用， 以及产品废弃后的处理等全过程。 该指标常用于针对产品及其生产过程的环境评价方法， 是在工业上实现产品和过程绿色化的系统方法，目前已 用于产品的评价和选择中
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绿色化学产品及过程绿色度的定量评估
评价标准 环境熵 环境因子E与废弃物在环境中的行为给出的废弃物对环 境的不友好程度Q的乘积 该指标考虑了废弃物排放量和废弃物的环境行为本质的 综合表现 通过环境嫡可以充分衡量环境友好生产过程的程度
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绿色化学产品及过程绿色度的定量评估
评价标准 反应速率 在整个生产过程中没有任何废弃物生成，如果反应速率 很慢，也难得到工业应用，较慢的反应速率意味着更多 的生产成本。以清洁生产为目的的绿色化学必须考虑到 经济可行性。 考虑 到 原 子经济性、环境因子、环境嫡以及反应速率 等因素，化学产品可顺利地生产。但化学产品的形成涉 及从分子设计、产品结构到工业化生产，以及使用和废 弃等多个不同阶段和多个层次，因此需要从系统的角度 来优化化学产品的全过程。