第9章 现代化工发展前景

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●废Hale Waihona Puke Baidu对农田、生活用水受到损害。
有害化学品对人类生态环境的影响
●化肥造成土壤的贫瘠化,有害农药通过生 物链对人类生存质量的影响。
●天然资源的滥采和化学品的滥用所引起的 负面作用。
●濒临灭绝的物种数量在逐渐增加。
科技发展的基本思考—可持续性发展
●目前:人类生存安全 ●中级:人类生存质量 ●初级:人类生存
●环氧乙烷的生产
传统环氧乙烷和环氧丙烷的生产均是通过氯 醇法二步制备,原料为乙烯、次氯酸(由氯气与 水反应得到)和石灰;上述传统生产方法的原子 利用率分别为 38.45% 和31%。而新工艺的原子 利用率分别为 100% 和76.32%。
使用无毒无害原料及可再生资源
●取代氢氰酸路线合成苯乙酸的新工艺 ● 用生物质原料(淀粉、纤维素)合成乙醇
等有机品 ●以生物质为原料制生物质能源
采用无毒无害催化剂
●分子筛代替三氯化铝催化剂合成乙苯和异丙苯 中国石化集团公司燕山石化公司采用新型分子筛 催化剂改造AlCl3法异丙苯装置,改造前后“三废” 排放对比。采用分子筛固体催化剂以后,彻底消 灭了废酸的产生和废液的排放,废气和废渣也很 少。废渣主要是废催化剂,由于无毒无腐蚀性, 很容易处理。
产物和最终产品,均应对人体健康和环境无毒、 无害(包括极小毒性和无毒)。
绿色化学的基本原则
(4)化工产品设计时,必须使其具有高效的功能, 同时也要减少其毒性。
(5)应尽可能避免使用溶剂、分离试剂等助剂,如 不可避免,也要选用无毒无害的助剂。
(6)合成方法必须考虑过程中能耗对成本与环境的 影响,应设法降低能耗,最好采用在常温常压下 的合成方法。
●新型化学杀虫剂
前景 实施绿色化学与化工任重而道远
●绿色化学是近年来才被人们认识和开展研究 的新兴学科,是实用背景强、国计民生急需 解决的热点研究领域。
●绿色化学内容广泛,指导思想非常明确。那 就是为了人类和化学工业的可持续发展,化 学工业必须从源头上杜绝废弃物的产生与排 放。
●建立绿色化学的新概念,必须从教科书抓起,从 每一个化学工作者作起,并且政府必须参与支持。
化学反应的绿色化 原子经济性反应;提高反应选择性
催化剂的绿色化:无毒无害催化剂 溶剂的绿色化:无毒无害溶剂
产品的绿色化
原子经济性反应和高选择性反应
原子经济性概念: 原子经济性或原子利用率(%)=
(被利用原子的质量/反应中所使用全部反应 物分子的质量)100 %
原子经济性反应和高选择性反应
● 超临界二氧化碳作为绿色溶剂的利用
美国北卡罗莱纳大学的J.M.Desimone等人,设计 合成了一种含氟化合物表面活性剂,使大多数原来不 溶于超临界或液态二氧化碳中的化合物如石蜡、重油、 油脂、蛋白质和聚合物等工业材料能够在液态或超临 界二氧化碳中溶解,从而可以使用二氧化碳来替代现 在工业上使用的大多数有机溶剂,减轻对环境的污染 和操作工人的人身危害。
●实施绿色化学任重而道远,对化学工业者是机遇 也是挑战。
●化学工业最终要实现绿色化,这是绿色工业的归 宿和必然。
10.4 化工与高科技
●高技术(High Tech)是指处于当代科学、技术和 工程前沿,对社会经济乃至政治的发展有重要决 定和先导作用的那些领域。
●高技术包括信息和微电子技术、生物技术、新材 料技术、新能源技术、自动化技术、空间技术和 海洋开发技术等七个领域。
第10章 现代化工的发展前景
传统化工面临的挑战 绿色化学的兴起 绿色化学与化工的研究内容 化工与高技术 21世纪化工展望
10.1 传统化工面临的挑战
●化工资源与能源的危机 ●传统化工对生态环境的污染 ●科技发展的基本思考—可持续性发展
世界非再生常规能源的基本情况(单位:亿吨油)
环境无害的绿色化学产品
绿色化学产品应该具有两个特征: ●产品本身必须不会引起环境污染或健康问题,包
括不会对野生生物、有益昆虫或植物造成损害。 ●当产品被使用后,应该能再循环或易于在环境中
降解为无害物质。
环境无害的绿色化学产品
●可降解塑料的研制
光降解塑料 生物降解塑料 光—生物双降解塑料 3R: Reuse; Reduce ; Recycle
采用无毒无害溶剂
●挥发性有机溶剂却是一类有害的环境污染物。当 它们进入空气中后,在太阳光的照射下,容易在 地面附近形成光化学烟雾。
●光化学烟雾能引起和加剧肺气肿、支气管肺炎等 多种呼吸系统疾病,增加癌症的发病率;它还能 导致谷物减产、橡胶硬化和织物褪色,每年由此 造成的损失就高达几十亿美元。
采用无毒无害溶剂
原油
天然气

累计产量
860
410
840
年产量(P)
29.4
20.2
21.8
已探明储量(R1) 1440
1150
5720
剩余最终资源量 (R2)
R1/ P (年)
2110 49
2280 57
13440 262
R2/ P (年)
72
113
617
*注: R2=R1+尚未发现的储量
化工三废对生态环境的影响
信息、微电子与化工
微电子材料和器件 ●芯片, 依靠光刻胶材料(光敏聚合物的有机薄
膜)和光刻技术。其技术涉及到有机化学、光 化学、高分子化学和工程学。 电子封装材料和基板材料 ●封装和基板用材一般都采用聚合物材料,属于 高分子化学的范畴,如三维化集成电路制作中 用的聚酰亚胺树脂等。
新能源技术与化工
●绿色化学追求的目标是从源头上消除污染,而绿色化工的 目标则要求是经济效益和环境效益协调发展,可以概括为 “三高”、“三低”、“两小”。
“三高” 要求反应要高转化率、高选择性和高能源利用率。 “三低” 要求原料要低毒、反应介质(溶剂)要低毒、产品要低毒。 “两小” 要求产生废物小,副产物也要小 。
绿色化学与化工是 未来化学工业发展的方向和基础
世界:目前每年产生3~4亿吨危险废物。 中国:化学工业排放的废水,废气和固体废物分 别 占 全 国 工 业 排 放 总 量 的 22.5% , 7.82% , 5.93%。
●废气对大气的污染:CO2;含硫气体的超量排放;氯烃 对臭氧层的破坏;锅炉燃煤、汽车排放物的污染。
●废水:排放到江海湖泊的废水造成严重污染,使水生动 植物受到灭顶之灾。
● 21世纪能源将要从有限的矿物资源向无限的 再生能源和新能源过渡,特别是清洁而又取之 不尽的能源。
●新能源有核能、太阳能、生物能、风能、地热 能和海洋能等等。
●在21世纪,新的能源化学研究前沿应包括氢能、 燃料电池、太阳能电池、海水盐差发电,它们 涉及电化学、催化、光学、电子学等多学科的 熔融与交叉。
绿色化工的定义
●绿色化工又称清洁生产或环境友好技术,它是在 绿色化学基础上开发的从源头上阻止环境污染的 化工技术。传统化工对三废的处理一般为末端处 理。
●绿色化工与传统化工最主要的区别是从源头上阻 止环境污染,即设计和开发在各个环节上都洁净 和无污染的反应途径和工艺。
绿色化学与化工的关系
● 绿色化工是随着绿色化学的发展而兴起的,主要是将绿色 化学所研究的基本原理应用于工程实践中去,在保护环境 的同时,获得经济效益。
国际性杂志《绿色化学》
● 由英国皇家化学会主办的国际性杂志《绿色化学》 于1999年1月创刊,其内容涉及清洁化工生产技术 各方面的研究成果、综述和其他信息,并站在现 代化学研究的前沿,涵盖了通过化学品的应用或 加工来减轻对环境影响的所有研究活动。
10.3 绿色化学与化工的研究内容
原料的绿色化 无毒、无害原料;可再生资源为原料
人们逐渐认识到可持续性发展要依赖科技进步; 但并非一切科技都支持可持续性发展。只有满足人类 生存、生存质量和生存安全三个方面的要求,科技进 步才能够成为人类不断进步的推动力。
人类面临的五大基本问题
●在进入21世纪前,世界已经认识到人类面临的五 大基本问题: 人口, 粮食,能源,资源,环境
●在化学化工领域,认识到化工资源的短缺危机与 传统化工的三废对污染环境的挑战促使各国政府 倡导“绿色化学与化工”。人类从过于自信人类 自己的创造力,忽视自然对人类的反作用到重视 环保、倡导社会与经济协调发展的道路,正是社 会与文明的进步。
(10)化工产品要设计成在其使用功能终结后,它不 会永存于环境中,要能分解成可降解的无害产物。
绿色化学的基本原则
(11)进一步发展分析方法,对危险物质在生成前 实行在线监测和控制。
(12)选择化学生产过程的物质,使化学意外事故 (包括渗透、爆炸、火灾等)的危险性降低到最 小程度。
绿色化学的定义
绿色化学又称环境无害化学。绿色化学是指化学 反应和过程以“原子经济性” 为基本原则,即在 获取新物质的化学反应中充分利用参与反应的每 个原料原子,实现零排放。不仅充分利用资源, 而且不产生污染;并采用无毒、无害的溶剂、助 剂和催化剂,生产有利于环境保护、社区安全和 人身健康的环境友好产品。
●绿色化学与化工是当今国际化学与化工科学研究 的前沿,它吸收了当代化学、物理、生物、材料、 信息等科学的最新理论和技术,是具有明确的社 会需求和科学目标的新兴交叉学科。
●绿色化学作为未来化学工业发展的方向和基础,
越来越受到各国政府、企业和学术界的关注。
世界各国重视绿色化学与化工
●美国设立“总统绿色化学挑战奖” (the Presidential Green Chemistry Challenge
绿色化学的基本原则
(7)在技术可行和经济合理的前提下,原料要采用 可再生资源代替消耗性资源。
(8)在可能的条件下,尽量不用不必要的衍生物 (derivatization),如限制性基团、保护/去保护 作用、临时调变物理、化学工艺。
(9)合成方法中采用高选择性的催化剂比使用化学 计量(stoichiometric)助剂更优越。
Awards)
日本政府“新阳光计划”
●一个由日本政府规划,旨在防止全球气候变暖、 在21世纪重建绿色地球的“新阳光计划”开始实 施,其主要内容为能源和环境技术的研究开发, 该计划提出了“简单化学”(Simple Chemistry) 的概念,即采用最大程度节约能源、资源和减少 排放的简化生产工艺过程来实现未来的化学工业, 为了地球环境而变革现有技术。
德国“为环境而研究”计划
● 1997年底德国联邦政府正式通过了一个名为“为环境而 研究”的计划,主要包括三个主题:区域性和全球性环境 工程、实施可持续发展的经济及进行环境教育,计划的年 度预算达6亿美元,其中将实施可持续发展经济的部分内 容交给了化学工业。此外,德过联邦教育科学研究和技术 部还与化学工业在研究、技术开发、教育和创新等方面建 立了正常的对话,可持续发展的化学被确定为这一对话固 定的主题之一。
●在经济上是生产力,在政治上是影响力,在军事 上是威慑力,在社会上是推动力。
●化工技术和高技术有着千丝万缕的联系, 两者交相辉映。
●化工技术是各大高技术的基础,离开化工 技术高技术无法发展。
●各大高技术的发展为化工技术的发展提供 了新的方向和课题,使传统的化工技术焕 发出了无限的生机。
信息、微电子与化工
环保治理的三个发展阶段
● “稀释废物来防治环境污染” ● 使用“三废”的后处理技术 ● 在源头防止废物的生成。
10.2 绿色化学的兴起
绿色化学的基本原则: (1)防止废物的生成比在其生成后再处理更好。 (2)设计的合成方法应使生产过程中所采用的原料
最大量地进入产品之中。 (3)设计合成方法时,只要可能,不论原料、中间
信息存储材料: ●诸如磁性和磁光性存储材料、有机光信息存
储材料、高密度光信息、存储材料等。具体 的实物形式为磁带、磁盘、光盘(CD)等等。 ●在制备磁性和磁光性存储材料时采用了很多 化工技术,如晶体生长、晶体取向附生、扩 散、蚀刻等,以及广泛应用的化学沉积方法 (电镀、化学镀等)。 信息显示技术: ●平板显示技术(包括液晶显示技术、场致放 射显示技术、等离子体显示技术、发光二级 管显示技术。液晶技术属于超分子化学领域, 一直是近代科学家研究和应用的热点。
空间技术与化工
●航天航空机身用材 航天航空机身用材是飞行器用材的关键部分: 铝 合金、高强钢、高强钛合金和聚合物复合材料等。
●航天航空上所用的推进剂 航天航空上所用的推进剂分为液体,固体两种。 先进的液体火箭发动机是人类技术进步的一项重 要成果。
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