绿色化学与化工.ppt

绿色化学与化工导论,开设本课程的目的,环境污染、能源枯竭等问题是当前人们最为关心的热门话题之一,传统化学、化工面临着人类可持续发展要求的严重体挑战，而绿色化学化工的兴起和发展,既可以从根本上保护环境,又可以进一步促进化学工业生产发展,因此化学工业的出路在于大力开发和应用基于绿色化学原理产生和发展起来的绿色化学化工技术。,20世纪化学工业为衣、食、住、行、保健和娱乐以及国防安全提供了丰富的化学物质，也带来了不同程度的环境污染21世纪绿色化学的进展将证明化学有能力推动经济和社会的可持续发展，保障子孙后代的美满幸福生活,通过本课程的学习，掌握绿色化学与化工的基本概念、基本原理，了解化学、化工生产中的资源与能源合理利用及生态环境可持续性发展间的关系。达到开阔视野，拓宽知识面，便于从整体上认识化学学科，树立既保护环境又推动工业生产发展的新观念。同时及时了解最新最热门的科学技术成果的研究进展以及国内外发展状况，为成为知识渊博、研究方向明确的高素质人才打下基础。,开设本课程的目的,本课程为考查课，总学时数为34学时。自学课程：主要以自学为主，辅导两次。目的培养自学能力。自学内容：按大纲要求，结合教材及有关参考资料自学，做好自学笔记。考核形式：自学笔记40%，小论文或读书报告30%，期终考查30%。,课程性质及要求,教材及参考书,1、贡长生、张龙绿色化学武汉：华中科技大学出版社，20082、李德华绿色化学化工导论北京：科学技术出版社，20053、闵恩渍.吴巍 编著.绿色化学与化工.北京：化学工业出版社,200044、仲崇立.绿色化学导论.北京：化学工业出版社,20005、贡长生、张克立.绿色化学化工实用技术.北京：化学工业出版社,20026、沈玉龙、魏利滨、曹文华.绿色化学.北京：中国环境科学出版社,20047、顾国维、何澄.绿色技术及其应用.上海：同济大学出版社,19998、P.T.阿纳斯塔斯，J.C.沃纳.李朝军,王东.绿色化学理论与应用.北京：科学出版社,2002,李德华绿色化学化工导论内容,第一章 绪论 从环境问题的产生与发展，了解绿色化学的产生、发展、重要性；掌握绿色化学的定义和特点。第二章 绿色化学原理 掌握绿色化学的12条基本原则；掌握原子经济性反应及绿色化学手段。第三章 化学工业的可持续发展 了解可持续发展与化工清洁生产的关系；掌握化工可持续发展的有效途径是必须采用绿色技术。第四章 工业生态学原理 了解工业生态学发展史及几个基本概念；熟悉工业生态学的三大研究方法（工业代谢、生命周期评价、区域产业生态系统建设）；掌握循环经济和生态工业的重要性。,第五章 绿色化学化工技术 了解能源、分类及各种能源技术；了解材料的分类并掌握各类新型材料的特点；掌握催化技术；熟悉生物技术及分离技术（微波技术、膜技术、超声技术）。第六章 绿色无机化学工艺 熟悉几种无机化学工业生产（磷铵生产、铬盐生产、氯碱生产等）的绿色化。第七章 绿色有机化学工艺 以乙苯脱氢制苯乙烯、环氧丙烷绿色生产工艺、醋酸生产的绿色化为例熟悉几种有机化学工业生产的绿色化。第八章 制药工业绿色化 熟悉各种制药工业（化学制药、中草药制药、生物制药）的绿色化。,李德华绿色化学化工导论内容,可持续发展的基本化学问题绿色化学,一、绿色化学的重要性,二、绿色化学的主要特点及内容,三、化工生产应遵循“绿色化学12条原则”,四、化学工业的可持续发展,五、绿色工业生态系统,六、绿色化工及技术,七、绿色化学生产,一、绿色化学的重要性,从科学观点看化学科学基础的创新从环境观点看从源头上消除污染从经济观点看合理利用资源和能源，降低生产成本 符合经济和社会可持续发展的要求,可持续发展的基本化学问题绿色化学,迄今为止。化学工业的绝大多数工艺都是20多年前开发的。近年来，由于化学工业向大气、水和土壤等排放了大量有毒、有害的物质。1992年，美国化学工业用于环保的费用为1150亿美元，清理已污染地区花去7000亿美元。1996年美国Dupont公司的化学品销售总额为180亿美元。环保费用为10亿美元。所以从环保、经济和社会的要求看化学工业不能再承担使用和产生有毒。有害物质的费用.需要大力研究与开发从源头上减少和消除污染的绿色化学。,各国政府推动绿色化学的措施,美国,2000年，美国化学会出版了第一本绿色化学教科书,绿色化学化工作为应对21世纪挑战的关键技术与基础,已成为21世纪世界科技研究前沿热点,1995年美国副总统Gore宣布了国家环境技术战略。其目标为:至2020年地球日时。将废弃物减少40-50%,每套装置消耗原材料减少20一25%；宣布设立“总统绿色化学挑战奖”，1996年7月第一届颁发，设立学术奖、小企业奖、变更合成路线奖、变更溶剂/反应条件关、设计更安全化学品奖（表1-2）,1990年美国颁布了污染防治条例，将 污染的防治定为国策,在美国2003年公布的21世纪化学化工发展战略中，再次强调了绿色化学化工的重要性。,英国皇家化学会主办的国际性杂志绿色化学1999年1月创刊；2000年设立“Jerwood Salters环境奖”德国 1991年制订“为环境而研究的计划”荷兰 制订“清洁生产手册”澳大利亚也创建了绿色化学期刊；,日本,制订“21世纪重建绿色地球”的新阳光计划，设立“为地球创新技术的研究院”,欧盟各国,各国政府推动绿色化学的措施,1995年中国科学院化学部组织了绿色化学与技术推进化工生产可持续发展的途径院士咨询活动 1997年国家自然科学基金委“九五”重大项目：环境友好石油化工 催化化学与反应工程1997年5月，香山科学会议第72次学术研讨会：可持续发展问题对科学的挑战绿色化学1998年合肥第一届国际绿色化学高级研讨 1999年北京第16次九华山科学论坛“绿色化学的基本科学问题”2000年科技部国家重点基础研究发展规划项目立项石油炼制和基本有机化学品合成的绿色化学,各国政府推动绿色化学的措施,中国,制订了“科教兴国”和可持续发展策略，并于1993年世界环境和发展大会之后，编制了中国21世纪议程郑重声明走可持续发展道路的决心。,二、绿色化学的主要特点及内容,1、化学反应的原子经济性,2、化学反应的清洁性,3、化学工艺的循环性和闭路性。,4、化学反应技术的可持续性,5、化工生产的可持续性,1.预防（prevention)（防止污染优于污染治理）：防止废物产生优于废物产生后再处理或清理2.原子经济性（atom economy）：应设计合成方法使其能把反应过程中利用的所有材料尽可能多地转化到最终产物中,三、化工生产应遵循“绿色化学12条原则”,Trost在l991年首先提出了原子经济性(Atom economy 的概念,原料分子中究竟有百分之几的原子转化成了产物,理想的原子经济反应是原料分子中的原子百分之百地转变成产物，不生副产物或废物。实现废物的零排放(Zero emission)。,原子经济性,传统的合成关心合成效率,如选择性,反应的化学选择性（即：生成所需产物）,区域选择性（即：在特定的位置反应）,立体选择性（即：产物的立体结构）等,大力开发医药等精细化工产品“原子经济”反应，力争实现废物“零排放”,不同工业部门生产中的废物排放量,制药、精细化工更需开发原子经济反应,布洛芬镇静、止痛药的生产,Boots公司的Brown方法,原子经济性 40%,BHC公司新发明的绿色方法,原子经济性99%(包括醋酸)获1997年美国总统“绿色化学挑战奖”,O,+,C,l,O,O,O,O,O,+,C,l,O,H,O,Baeyer-Villiger反应用于生产医药、塑料添加剂,锡/沸石,传统工艺,3-氯过苯甲酸氧化剂，原子经济性42%，产生3-氯苯甲酸废物,绿色工艺,负载锡的沸石催化剂，过氧化氢氧化剂，原子经济性86%，副产物只有水,烃类催化氧化原子经济性反应,传统工艺氯醇法：原子经济性=31%,绿色工艺钛硅分子筛催化：原子经济性=76%,丙烯环氧化制环氧丙烷,目前针对烃类催化氧化的不足，又有了新进展,降低H2O2费用原位H2、O2合成H2O2，与丙烯环氧化集成新氧化剂异丙苯过氧化物 新氧化催化材料Sn/沸石有机氮络合Fe2+系催化剂含钨的金属簇相转移催化剂,烃类催化氧化原子经济性反应,替代光气制造异氰酸酯工艺,伯胺和二氧化碳或碳酸二甲酯反应伯胺和一氧化碳进行氧化羰化 硝基苯和一氧化碳羰基化正在小试、中试，比光气法生产成本高10，需要降低成本,1984年印度博帕尔光气泄漏事件2000年罗马尼亚一家工厂的氰化物泄漏到多瑙河支流事件,造成人身伤亡、生态环境严重破坏 需要开发绿色技术,甲基丙烯酸甲酯的生产工艺,47%原子经济性,100%原子经济性,投资、成本低,传统工艺,绿色工艺,3.低毒化学合成（iess hazardous chemical synthesis）：只要可行，应设计合成方法使其利用和产生的物质对人类健康和环境无毒性或很低毒性。4.设计安全化学品(designing safer chemicals):应设计化工产品使其保留功效，但降低毒性,三、化工生产应遵循“绿色化学12条原则”,绿色化学合成途径和合成技术 一些合成途径和技术体现了绿色化学的思想，如：电化学合成 是合成新药物和其他有机物的有效手段无机水热合成：条件温和，污染少，可用于合成新型分子筛和其他环境友好催化剂。绿色化学化工：寻找充分利用原材料和能源的在各个环节中部净化和无污染的反应途径和工艺。,在环境友好产品方面。从1996年美国总统绿色化学挑战奖看，设计更安全他学品奖授予RohmHaas公司。由于其开发成功一种环境友好的海洋生物防垢剂。小企业奖授予Donlar公司。因其开发了两个高效工艺以生产热聚天冬氨酸，它是一种代替丙烯酸的可生物降解产品。,在环境友好机动车燃料方面，随着环境保护要求的日益严格。1990年美国清洁空气法(修正案)规定，逐步惟广使用新配方汽油，减小由汽车尾气中的一氧化碳以及烃类引发的臭氧和光化学 烟雾等对空气的污染。新配方汽油要求限制汽油的蒸汽压、苯含量，还将逐步限制芳烃和烯烃含量。,此外。保护大气臭氧层的氟氯烃代用品已在开始使用。防止“白色污染”的生物降解塑料也在使用。,产品应是环境友好的,绿色化学品的设计：功能与环境影响并重,转变观念产品功能与环境影响并重，设计、研制新产品时，一般要考虑下面因素：,物质的结构与活性的关系,避免采用毒性功能基团,生物吸收量最小化,使辅助的物质最小化,Rohm&Haas公司的Sea-NineTM海洋生物防垢剂Albright&Wilson公司的低毒性、能快速降解的THPS杀菌剂Rohm&Haas公司对一类安全高效、具有选择性杀虫效果的ConfirmTM杀虫剂家族的发明和应用Dow AgroSciences LLC公司发明的新型天然杀虫剂产品SpinosadDow AgroSciences公司的Sentricon白蚁巢穴杀灭系统 PPG公司的Enviro-Prime 2000无铅凃层,美国“总统绿色化学挑战奖”的设计更安全化学品奖,1996年至2001年获奖项目,工农结合,生产超清洁生物柴油,减少汽车尾气中SOx和颗粒物排放整个过程少排放CO2，减少温室效应本身无毒、无害，能自行分解回归自然具有一定的润滑性，从而延长机动车的寿命燃烧热值稍低，倾点较高，影响低温启动,柴油是另一类重要的石油炼制产品。对环境友好柴油。美国要求硫含量不大于0.05%，芳烃含量不大于20%，同时十六烷值不低于40,为达到上述目的，一是要有性能优异的深度加氢脱硫催化剂;二是要开发低压的深度脱硫/芳烃饱和工艺。国外在这方面的研究已有进展。,生物柴油的特点,生物柴油的制造,植物油与甲醇（乙醇）酯交换制得 棉籽油、棕榈油、椰子油、菜籽油、野生植物油以及海藻等化学法液碱催化固体碱催化二段催化酶催化,5.采用安全的溶剂和助剂（ater solvents and auxiliaries）：应尽可能避免使用辅助物质（如溶剂、分离剂），如用时应是无毒的,三、化工生产应遵循“绿色化学12条原则”,6.能量效率设计(design for energy efficiency)（合理利用和节省能源）:应考虑到能源消耗对环境和经济的影响，并应尽量少地使用能源。如有可能合成应在常温和常压下进行,用无毒无害的溶剂,挥发性有机溶剂有广泛用途,涂料和油漆的溶剂泡沫塑料的发泡剂微电子器件等的精密清洗服装干洗的清洗剂化工生产过程中作为溶剂,挥发性有机溶剂对环境的危害,形成光化学烟雾引起和加剧多种呼吸系统疾病，增加癌症发病率导致谷物减产、橡胶硬化等，每年造成大量损失二氟二氯甲烷等破坏地球大气中的臭氧层,用无毒无害的溶剂,无溶剂反应,从理论上讲，无溶剂，则不会有溶剂的毒害。然而许多反应需要溶剂参与传热或传质等，无溶剂对反应非常不利,以水为溶剂,水对环境无害。但有些反应物不溶于水，且废弃的水会对人类生活产生影响。况且，人类面临淡水供给危机，这种做法无异于雪上加霜,以超临界流体为溶剂,这是非常有前途的方法，如采用超临界二氧化碳，可溶解多种反应物，并能促进许多反应的发生。超临界二氧化碳具有无毒，不可燃，价廉等优点，已得到了广泛应用,采用无溶剂的固相反应也是避免使用挥发性溶剂的一个研究动向，如用微波来促进固、固相有机反应。,用无毒无害的溶剂,研究水或近临界水作为溶剂以及有机溶剂/水相界面反应,采用水作溶剂虽然能避免有机溶剂，但由于其溶解度有限，限制了它的应用，而且还要注意废水是否会造成污染。,在有机溶剂/水相界面反应中。一般采用毒性较小的溶剂(甲苯)代替原有毒性较大的溶剂，如二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、醋酸等。,超临界二氧化碳溶剂,二氧化碳在常温下是气体，无色、无味、不燃烧、化学性质稳定不会形成光化学烟雾，也不会破坏臭氧层来源丰富，价格低廉超临界二氧化碳可很好地溶解一般有机化合物,超临界二氧化碳是指温度和压力均在其临界点(3llC、7477.7gkPa)以上的二氧化碳流体。它通常具有液体的密度。因而有常规液态溶剂的溶解度;在相同条件下。它又具有气体的粘度,因而又具有很高的传质速度。而且。由于具有很大的可压缩性。流体的密度、溶剂溶解度和粘度等性能均可由压力和温度的变化来调节。,优点,用超临界二氧化碳代替挥发性有机溶剂的应用,替代机械、电子、医药和干洗等行业中普遍采用的挥发性有机清洗剂代替氟氯烃作泡沫塑料的发泡剂超临界CO2为溶剂，生产氟化物单体和聚合物,利用我国合成氨厂、炼油厂中制氢装置大量排放的CO2，开发（或引进）超临界CO2技术在房屋装修、泡沫塑料生产、服装干洗等中应用，形成新兴产业。,7.使用可再生原料(use renewable feedstocks):只要技术和经济上可行，原料应是可再生的，而不是将耗竭的8.减少衍生物(reduce derivatives):应尽可能避免不必要的衍生化（阻断基团，保护脱保护，物理和化学过程的暂时修饰）因为这些步骤需要添加试剂并可能产生废物9.催化(catalysis):催化试剂（有尽可能好的选择性）优于化学计量试剂,三、化工生产应遵循“绿色化学12条原则”,常用的许多化学、化工原料，如：氰氢酸、丙烯氰、甲醛、环氧乙烷、光气、卤代芳烃、稠环芳烃等都具有毒性，对环境有很大的危害。,无毒、无害的原料,在代替剧毒的光气作原料生产有机化工原料方面。Riley等报道了工业上已开发成功一种由胺类和二氧比碳生产异氰酸酯的新技术关于代替剧毒氢氰酸原料，Monsanto公司从无毒无害的二乙醇胺原料出发。经过催化蜕氢，开发了安全生产氨基二乙酸钠的工艺，改变了过去的拟氨、甲醛和氢氰酸为原料的二步合成路线。并因此获得了1996年美国总统绿色化学挑战奖中的变更合成路线奖。,绿色植物通过光合作用直接产生或间接衍生的所有物质即为生物质。,如：植物，地球上储量约2亿亿吨，年再生速度1640吨。其主要成分为：淀粉（由葡萄糖经a-1,4化学键相连）和纤维素（由葡萄糖经b-1,4化学键相连）。,生物质中最值得利用的是木质纤维素，其优点是（1）由可降解的葡萄糖组成；（2）生物圈中最丰富的有机物。然而在实际应用时却遇到许多困难，其应用中的主要难点为：（1）多处于结晶态；（2）采用b-1,4化学键；（3）与木质素连结在一起。,清洁原料的战略任务是用生物质作化工原料。,生物质利用的初步尝试,生物质的利用目前还没有理想方法，比较有效的方法有,爆破法：即采用先高压再减压的方法，将纤维素与木质素分离,稀释的酸溶解,有机溶胶提取技术,超临界萃取等，将纤维素提取出,应该看到：过去，石油化学工业的发展耗费了人类一个多世纪的时间，现在的生物质化学工业从设想变成现实可能需要至少几十年的努力。,国外生物技术生产大宗化工产品已取得突破,Du Pont和 Genecor International等合作建成由玉米生产1，3丙二醇(PDO)装置，成本比化学法低15 CargillDOW公司正在建设一个14万t/a的聚乳酸工厂，用于生产塑料、纤维 Frost报道以葡萄糖为原料，通过酶反应可制得己二酸、邻苯二酚和对苯二酚等。尤其是不需要从传统的苯开始来制取作为尼龙原料的己二酸取得了显著进展。另外,Gfoss首创了利用生物或农业废物如多糖类制造新型聚合物的工作。具优越性在于聚合物原料单体实现了无害化;生物催化转化方法优于常规的聚合方法，聚合物还具有生物降解功能,美国国家研究委员会（National Research Council)从生物质原料所制产品的目标,可再生植物原料中现在使用的葡萄糖，正在开发低成本的蔗糖，最后使用木质素纤维生物催化、化学法的组合。开发生物催化技术是关键组织多学科合作，加强研究,利用可再生资源生产大宗有机化工产品的研究,三、化工生产应遵循“绿色化学12条原则”,9.催化(catalysis):催化试剂（有尽可能好的选择性）优于化学计量试剂10.降解设计(design for degradation):应设计化工产品使其在完成使命后不在环境中久留，并降解为无毒的物质11.防止污染的快速分析(real-time analysis for pollution prevention):分析方法须进一步发展，以能够进行即时的和在线的跟踪及控制有害物质的生成12.本身安全、能防止意外事故的化学(inherently safer chemistry for accident prevention):在化学转换过程中，所用的物质和物质的形态应尽可能地降低发生化学事故的可能性，包括：泄漏、爆炸、和火灾,近年来国外正从分子筛、杂多酸、超强酸等新催化材料中大力开发固体酸烷基化催化剂。其中采用新型分子筛催化剂的乙苯液相烃他技术引人注目，这种催化剂选择性很高，乙苯重量收率超过99.6%。而且催化剂寿命长。还有一种生产线性烷基苯的固体酸催化剂替代了氢氟酸催化剂，改善了生产环境，已工业化。在固体酸烷基化的研究中。还应进一步提高催化剂的选择性。以降低产品中的杂质含量;提高催化剂的稳定性。以延长运转周期;降低原料中的苯烯比。以提高经济效益,采用无毒、无害的催化剂,目前烃类的烷基他反应一般使用氧氟酸、硫酸、三氯化铝等液体酸催化剂。这些液体催化剂共同缺点是，对设备的腐蚀严重、对人身危害和产生废渣、污染环境。为了保护环境。,传统AlCl3、HF催化剂的缺点：腐蚀设备，危害人身健康和社区安全，废水、废渣污染环境,开发新一代苯与烯烃烷基化无毒无害固体酸催化剂,分子筛固体酸催化剂,环境友好，但是：酸强度低，分布不均，酸中心少；因而，反应温度和压力高，产品杂质增多,为克服上述缺点，下一代固体酸催化剂,杂多酸、包裹型液体酸、Nafion/SiO2复合材料、纳米分子筛复合材料、离子液体等,开发新一代苯与烯烃烷基化无毒无害固体酸催化剂,加快已有基础的负载型杂多酸的开发利用悬浮催化蒸馏等新工艺 力争开发具有中国特色的独特先进新催化剂和工艺继续研究纳米分子筛复合材料、离子液体等新催化材料,绿色化学的方向,1、无毒、无害的原料2、在无毒、无害的反应条件下进行3、原子经济性“4、产品应是环境友好的5、“闭路循环”之路,从“末端治理”扩展到“源头”，从企业内扩展到企业外,绿色化学工程技术的12条原则,1 要尽力保证所有输入和输出的能量与材料尽可能无内在固有危险2 污染防止优于污染形成后的处理3 产品分离与纯化的设计要尽量减少能量与材料的消耗4 质量、能量、空间和时间效率的最大化5 强化输出的牵引，不要输入的推动6 保留复杂性7 强调耐久性而不是永久性8 满足需要，使过量最小化9 减少物质的多样性10 当地物质流和能源流的整合1l 商品后期设计12 使用可再生而非耗竭材料,四、化学工业的可持续发展,1、联合国人类环境会议（1972，瑞典，113国家参加，发表“关于人类环境的斯德哥尔摩宣言”及“人类环境计划”）2、联合国环境及发展会议（1992，巴西，178国参加，发表“关于环境与发展的里约热内炉宣言”等5项公约等）3、可持续发展的世界首脑会议（2002，南非，191国家参加，发表“关于可持续发展的约翰内斯堡宣言”及“可持续发展世界首脑会议实施兴计划”）,-1987年我们共同的未来一书发表，提出了“可持续发展”最经典的定义：“满足当前的需要但不损及后代满足他们自己的需要”。(“代间不平等”问题),1、什么叫“可持续发展”？,联合国关于可持续发展的三次会议,（1）面临世界资源的挑战地球资源年耗尽,年来，一种能够清洁空气的关键自由基分子在世界范围内逐渐减少，它的浓度平均下降，至今尚不清楚它下降的原因和周期，它将对地球的健康构成巨大的威胁。它是地球的防污染剂，它的减少将使烟尘越来越浓，导致破坏保护地球的臭氧层。,2、可持续发展的战略需求,世界自然基金会和联合国环境规划署联合发表的年地球生态报告显示，若按目前的速度继续消耗地球的资源，那么我们地球的资源会在年耗尽。,（2）地球正在失去自我清洁的能力,如温室气体排放，臭氧层破坏等,过去10年里全球水文气象灾害数量增加了一倍。若化石燃料不加限制地消耗下去，2030年CO2浓度可达到550 ppm,到2050年气温会上升1.54.5。那时生态灾难又会比现在上升几倍？,全球的生态系统正在向危险的临界值接近，环境的恶化导致自然灾害，近十年中导致世界亿美元的损失，过分对矿物燃料的使用，使气温变暖，北极冰盖已减少4，继续变暖会导致水资源的极度缺乏，食品的减少，和诸如疟疾、登革热之类致命的疾病广为扩散。,（3）全球环境处于危险的十字路口,经济形势之一：中国经济高速发展,近20年（19852005年）中国经济高速发展。2002年国内GDP总量超过10万亿元，人均GDP超过1000美元；2005年国内GDP达到20万亿元，人均GDP超过1500美元。,1949198637年,1986199610年,199620015年,200120032年,5000万吨,中国经济的高速发展，带动了钢铁、建筑、汽车等各行各业的加速发展。,100万辆,3、可持续发展的战略需求（中国形势）,经济形势之二：重工业是中国经济发展的主要支柱,材料工业是国内经济发展的物质基础，如钢产量伴随着GDP同步增长；2006年我国钢产量达到4.18亿吨，占世界钢产量的33.7%；水泥产量达到12.4亿吨，占世界产量的50%；重工业一般是资金密集、劳动力密集的高能耗、高污染产业。,国内生产总值(GDP)与粗钢产量的发展趋势,2005年：世界钢产量11.3亿吨2006年：世界钢产量12.4亿吨,我国钢产量在世界上的地位,万吨,国内水泥产量的发展,我国经济增长的主导是重工业，1985年至2005年间，重工业产值占国内工业总产值的比例波动在5070%。,我国以重工业作为经济发展的主要支柱，是造成单位GDP能耗高、污染严重的主要原因。,国内生产总值(GDP)与粗钢产量的发展趋势,我国钢产量在世界上的地位,经济形势之三：中国经济发展进入转型期,世界各国人均GDP达到1000-3000美元是重要的经济转型期，也是战略机遇期；经济转型期的重要标志是发展中国家转为发达国家，工业化社会转为信息化社会；转型期的主要社会矛盾是经济高速发展与资源环境的制约；欧、美经历这一发展阶段的时间长达1219年；日、韩国用78年实现转型；而墨西哥、巴西、菲律宾、泰国、马来西亚等国长期未能实现转型，经济陷入停滞不前。,我国经济发展与GDP增长趋势,为了尽快实现中国经济转型，必须坚持节能减排、建设节约型社会的基本国策，进一步降低能源、资源消耗，改善社会环境。,可持续发展面临的问题之一资源缺乏,社会转型期是重要战略机遇期，也是各种矛盾凸显期，随着经济快速增长和人口不断增加，资源约束矛盾日益突出，环境形势更加严峻。,从资源禀赋看，我国是总量上的大国，人均上的贫国。人均淡水资源占有量仅为世界平均水平的四分之一，人均耕地占有量不到世界平均水平的40%，45种矿产资源人均占有量不到世界平均水平的一半，石油、天然气人均占有储量为世界平均水平的7%和4.5%，铁矿石、铜和铝土矿储量分别为世界平均水平的1/6、1/6和1/9。,随着经济发展，GDP增长与资源消耗呈线性正比关系。这意味着今后国内经济的发展需要大量的资源。因此，国内资源缺乏将是束缚我国经济高速发展的重要制约因素。,我国的能源及水资源现状,我国是一个公认的能源短缺而又贫水的国家!,主要国家的铁矿石储量与钢产量,我国化学工业经济增长很大程度建立在大量消耗能源及原材料的基础上，有时以牺牲环境为代价。我国化学工业总产值居世界第三位，但人均化工产值仅为世界平均的1/4。我国化学工业总能耗为美、加、墨三国之和的4.1倍，但产值相当三国之和的23.8%。化工废水排放量占全国工业部门的17.5%，名列第1位；化工废气排放量占第4位，固体废物排放占第5位，但危险废物占60%，为第1位。万元产值水耗为美国的3.5倍。而万元产值的污染物排放强度是美国的近百倍。,大气污染：一级标准城市只占多个城市中的不到,工业污染：中国流行病的是由于水污染传播,固体废弃物严重：以速度增长，存储量已达.亿吨，占地5.17万顷,可持续发展面临的问题之二大气环境污染严重,可持续发展面临的问题之二大气环境污染严重,全国527个市（县）中，出现酸雨的城市有298个，占统计城市的56.5%，有些地区的酸雨频率达到100%。据测算，大气污染造成的经济损失已经占到GDP的23%，中国的大气污染的形势不容乐观。,40%国土受酸雨威胁,温室效应气体排放居亚洲之首,二氧化硫排放逐年增加,可持续发展面临的问题之二大气环境污染严重,2003年七大水系各种水质类别所占比例,我国人均水资源不足世界平均值的1/4，而且水质受到较严重的污染。目前，全国60%的城市存在不同程度的缺水，108各城市严重缺水，饮用水源地水质较差，约有30%人口得不到安全饮用水。,2003年我国生活垃圾清运量达1.5亿吨，年均增长7-10，处理率远远达不到要求，垃圾围城现象普遍。,可持续发展面临的问题之三水质污染、固体废弃物泛滥,可持续发展面临的问题之四人居环境受到严重威胁,全国主要城市空气污染综合指数,电厂对大气污染,北京遭遇的沙尘暴,太湖污染,全球CO2排放量从2001年的249亿吨增加到2005的292亿吨，同期美国从63亿吨升到65亿吨，中国从28亿吨猛增至53亿吨。2006年，全世界的CO2排放量突破300亿吨；,节能减排的压力与困难来自国外的压力,炭燃烧生成CO2(约占总量的80%)是产生温室效应的主要因素，CO2阻挡太阳光辐射造成全球气温上升、环境恶化和自然灾害频繁发生。全球必须共同抑制CO2的排放量。,中国已签署京都议定书，作为发展中国家暂不承诺CO2减排指标，但发达国家普遍认为中国不承担控制温室气体排放的义务，仍不能减少空气污染和温室气体的危害。,结论：中国环境污染与温室气体排放已引进全世界的高度关注，必须尽快采取节能减排措施减少环境污染和温室气体排放量。,4、可持续发展研讨内容,国策：“可持续发展”,廿一世纪人类的进步,已进入了可持续发展的阶段，其产业系统是工业生态系统，发展的经济模式就是循环经济。,“可持续发展与生态工业”其科学与技术基础是绿色化学科学与工程,21世纪可持续发展的系统与园区的模式是生态工业系统与生态工业园区。应用系统工程的方法，去分析、研究、设计与规划化工园区大系统中的基本流：物流、能量流、资金流与信息流，以达到环境友好、资源、能源与资金最优化利用目标。-生态工业园区,循环经济,绿色GDP与可持续发展,循环经济是仿照自然生态系统，在生产、流通和消费等全社会范围内,通过物质循环、废物最小化、工艺替代和产品共生等方式，组织成一个“资源产品再生资源”的物质反复循环流动的过程，达到资源、能源的高效利用，对环境影响最小的的经济模式，本质上是一种生态经济。,循环经济是一种,以“三R”为原则,以资源高效利用和循环利用为核心,以低消耗、低排放、高效率为基本特征,以生态产业链为发展载体,以清洁生产为重要手段,达到实现物质资源的有效利用和经济与生态的可持续发展,循环经济的基本原则,3R原则,即减量化（reducing）,再利用（reusing）,再循环（recycling）,是实现循环经济的重要行为原则,循环经济实例 1 新疆天业循环经济产业链图,循环经济实例 2,绿色工程建立生态工业是依据生态经济学原理，以节约资源、能源、清洁生产和废弃物多层次循环利用（即节能、降耗、减排原则）等为特征，以现代科学技术为依托，运用生态规律、经济规律和系统工程的方法经营和管理的一种综合工业发展模式。工业生态学的核心是如何实现循环经济与环境友好理念，实现再生资源的利用,即用化学方法改变和回收利用废物，将废物转化为原料，进而达到资源与能源高效利用的目标。,五、绿色工业生态系统,1、生态工业群-园区生态工业模式,原子经济性+零排放循环经济+环境友好,1,2,3,4,5,6,生态工业园区为大系统（网），生态工业群（链）为工业园区的一级子系统，企业为二级子系统（点）。,2、生态工业园区及其大系统过程集成,生态工业园是依据循环经济理念和工业生态学原理而设计建立的一种区域型新型工业组织形式，通过模拟自然系统建立产业系统中“生产者消费者分解者”的循环途经，尽可能实现物质闭路循环和能量多级利用。即生态园内企业模拟自然界生态系统，相互之间存在协同和共生关系，将最大限度地充分利用资源和减少负面环境影响，最后达到工业可持续发展的目标。,丹麦的卡伦堡(Kalunborg)生态工业园区,丹麦Kalundborg的工业网络图,1.这种能量交换有更显著的能效,2.物料和能量交换能为参与者提供经济效益,3、园区进行了水资源的循环利用,美国北德克萨斯州的一个生态工业园,生态工业园的中心便是一个钢厂，它利用废汽车作为主要的原材料,美国部分生态工业园区,加拿大部分生态工业园区,国内的部分生态工业园区,贵港国家生态工业示范园总体结构,该示范园区的六个系统，各系统内分别有产品产出，各系统之间通过中间产品和废弃物的相互交换而互相衔接，从而形成一个比较完整和闭合的生态工业网络，园区内资源得到最佳配置、废弃物得到有效利用，环境污染减少到最低水平。其中，甘蔗制糖蔗渣造纸生态链、制糖糖蜜制酒精酒精废液制复合肥生态链以及制糖(有机糖)低聚果糖生态链这三条园区内的主要生态链，相互间构成了横向耦合的关系，并在一定程度上形成了网状结构。物流中没有废物概念，只有资源概念，各环节实现了充分的资源共享，变污染负效益为资源正效益。,国内生态工业园,贵港国家生态工业示范园总体结构,过程集成是实现绿色化工目标的核心技术,基于热力学原理的集成换热器网络的夹点技术推广到传质交换网络中来。质交换器指的是任何逆向直接接触的传质操作，如吸收、吸附、液液萃取、离子交换、浸取、汽提，氢夹点分析等。这种质交换网络分析的目的是设计污染杂质的回收网络，以减少污染。废水最小化的夹点设计方法。,六 绿色化工及技术,1、夹点分析（资源、能源节约型）,热交换网络的建立仍是世界化工节能的主要技术,由传统流程向集约型耦合过程发展,2、深度过程集成：网络超结构模型模拟,立足于通用反应器及相互连接的流股网络构成的超结构，在研究传质和传热的各种可能安排的基础上，找寻最优化的结构。用可再生资源代替不可再生资源 氢夹点分析 基于溶剂的分离系统设计 利用微化工厂来规避风险、提高效率工厂公用工程及联产系统的节能,绿色石油化工的生产链与资源的循环利用,生物质“循环利用”的绿色过程示意图,国际化学工业产品结构发展态势,原料基本化工精细化工 功能产品 生产链链式结构基本化工：规模效益（资源利用率的提高）信息化程度（自动化程度）的提高 能耗的降低精细化工(包括功能产品):产品结构的及时调整 多产品车间的建立柔性生产线,石油化工一体化,根据2000年全球统计数据，在美、英、日、德等国的大化工行业的GDP中精细化学品及功能产品占79%。,八、绿色化学生产,涂料工业制革工业引言造纸工业氯氟碳化合物（CFCs）可降解塑料,涂料：应用于物体表面而能结成坚韧保护膜的物料的总称，多数是含有或基本不含颜料的粘液。,1、涂料工业,涂料的功能：（1）防止物体表面受到气候腐蚀、化学腐蚀以及日光照射而起变化；（2）防止或减少物体表面直接受到摩擦和冲击；（3）增加物体表面美观。,挥发性有机物（VOC）：涂料中通常含有挥发性有机物（VOC），VOC(Volatile Organic Compound)：包括碳氢化物，有机化物，有机硫化物，碳基化合物，有机酸和有机过氧化物等，在NOx存在下，还可导致光化学烟雾的产生和污染。有机溶剂及其它有机污染物在阳光作用下会产生许多光化学反应（一般指大气中的原子，分子，自由基或离子由于吸收光子而引起的反应）。污染范围大，使全球气候变暖，大气层氧化容量和酸度变化（导致酸雨）VOC（挥发性有机化合物）会产生直接毒害，同时还会产生光化学烟雾。,绿色涂料，亦称环境友好涂料，是指涂料在制造和施工过程中没有有害物质的分解、挥发、排放或分解、挥发、排放的有害物质在规定的工艺条件下能满足排放标准，不至于对人类和大自然造成危害。因此，我们要发展对环境污染少，对人体无害的涂料。,低固含量溶剂型涂料的固含量通常为30-50%，而高固含量溶剂型涂料的固含量为65-85%。开发高固含量溶剂型涂料可减少挥发性有机溶剂的使用，降低对人类和环境的危害程度。,绿色涂料的尝试,1、涂料工业,关键：开发低VOC的涂料。,（1）高固含量溶剂型涂料,水分散型涂料，即以有机溶剂/水为溶剂。以水代替部分有机溶剂，可以减少OC的危害。乳胶型涂料，即涂料分子以乳胶形式分散于水中。这种涂料VOC含量极低，甚至为零，目前以获得广泛应用。水溶性高分子，即涂料高分子材料即为水溶性的，这样即可完全采用水作为溶剂。但开发水溶性高分子材料，尤其是适用于各类需求的涂料高分子材料具有一定难度，因此该类已商品化的涂料较少。粉末涂料，即不需要任何溶剂的涂料。其优点是理论上绝对零VOC，然而在应用中却遇到困难，如：工艺复杂、涂层较厚、配色性差、不规则物体涂布效果差等。,（2）水基涂料,水基涂料以水作为溶剂，不会对环境产生污染,常见的水基涂料,制革工业是我国重要工业部门之一，年产量高。每年年产猪皮革约八千多万张，牛皮革三千多万张，羊皮革五千多万张。年出口创汇八十多亿美元，在国际皮革业，尤其是中低档皮革业中占有重要地位。,2、制革工业,制革工业污染严重，主要污染来源为：除去原料皮上的废料（占污染源70-80%，通常1吨原料皮只能生产200千克皮革），制革过程中所用的化工原料（如：盐腌、酸浸、鞣制（铬鞣）等过程中都会带来很大污染。,制革工业污染的来源,鞣剂的污染：制革业污染严重，其中危害最大的是鞣剂的污染。常用的鞣剂有无机鞣剂和有机鞣剂，这些鞣剂通常都含铬、铝、铁、锆、钛、硅等元素。,鞣制原理及改进,鞣剂主要与胶原结合。常见的鞣剂为含铬化合物，含铬化合物与胶原的活性基作用时，铬以正价与胶原的羧基作用，以负价与胶原的氨基作用。这样使皮革蛋白发生恰到好处的变性，成为熟皮。熟皮不会霉变，而且有很好的质感。铬鞣剂是目前发现的最好的鞣剂，其鞣革性优越。然而铬鞣剂毒性大，由此产生的制革工业废物对环境具有很大的危害，因此人们致力于改善鞣革剂。例如：采用金属络合物