绿色化学与化工导论ppt课件.ppt
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1、绿色化学与化工导论,欢迎你,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,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。,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
2、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。,教材及参考书,1、李德华绿色化学化工导论北京:科学技术出版社,20052、闵恩渍. 吴巍 编著. 绿色化学与化工.北京:化学工业出版社,200043、仲崇立. 绿色化学导论.北京:化学工业出版社, 20004、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, 20025、沈玉龙、魏利滨、曹文华.绿色化学.北京:中国
3、环境科学出版社, 20046、顾国维、何澄. 绿色技术及其应用.上海:同济大学出版社,19997、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,第一章章、化学工业的可持续发展,-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)-美国环保总署的国家风险管理研究室NRMRL将“可持续性”表述为:“当我们为了人类健康和环境去持久地保持或改进物质和社会条件,在不超出支持它们的生态承载能力的条件下所追求的目标。”,一、什么叫“可持续发展” ?,联合国关于
4、可持续发展的三次会议: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”),二、可持续发展的定义与历史沿革,(1)面临世界资源的挑战地球资源年耗尽,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
5、去自我清洁的能力,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。,三、可持续发展的战略需求(世界形势),能源供应无疑是可持续发展的头等大事。据EIA2001公布: 预计今后50年安定人口增长50%,而随着人均收入提高,相应人均能源会不断增加。所以估计今后20年总能耗会增加50%。如何经济地满足这种能耗需求增长,又不显著增加环境成本就是一个挑战。多数专家认为:2050年内,主要还是靠化石燃料(石油,天燃气及煤炭)。, 可再生能:太
6、阳能、风能、水利发电、生物能,2000年世界能耗构成,能源问题.,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?,(3)全球环境处于危险的十字路口,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。,经济形势之一:中国经济高速发展,近20年(198
7、52005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,四、可持续发展的战略需求(中国形势),资料来源:瑞士洛桑国际管理开发研究院,世界竞争力年鉴(2003),一些工业国家的工业生产率比较,各国工业化程度,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
8、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。,一些国家能源使用率比较,资料来源:瑞士洛桑国际管理开发研究院,世界
9、竞争力年鉴(1998),世界竞争力年鉴(2002),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。,中国的环
10、境污染非常严重,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。.,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
11、是美国的近百倍。,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。,主要国家的铁矿石储量与钢产量,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
12、。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 !,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,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
13、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; 据联合国能源署估测,2002年中国排放CO2总量已经达到40.8亿吨,是十年前的1.53
14、倍,折合人均3.2吨,美国人均19.4吨,德国10.2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。,五、可持续发展研讨内容,1.“可持续发展” 及其现存问题2. 国际绿色工程发展动
15、态3. 可持续发展的工程技术和评价体系4. 中国面临资源、能源和环境更严峻的挑战5. 树立和落实科学发展观,全面建设小康社会的奋斗目标,加快推进社会主义现代化,国策:“可持续发展” 。 21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,社会对环境响应的四个发展阶段,国际社会可持续发展思想的历史沿革,绿色化学又称环境无害化学,由此发展的技术称环境友好技术或洁净技术:即利用化学原理在化学品的设计、生产和应用中即消除或减少那些对人类健康、社区安全、生态环境有毒有害物质的使用和产生,设计研
16、究没有或只有尽可能少的环境负作用、在技术上和经济上可行的产品和化学过程。,第二章 绿色化学基本概念,一、什么是绿色化学,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。,二、绿色化学的重要性,从科学观点看化学科学基础的创
17、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,三、各国政府推动绿色化学的措施, 美国,1990年美国颁布了污染防治条例, 将 污染的防治定为国策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”;2000年,美国化学会出版了第一本绿色化学教科书。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。, 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”
18、,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:, 欧盟各国,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;, 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。 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
19、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会 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,(1)对我国的环境至关更要的一些工业,如煤炭,石油,化工,造纸,制革,酿造和制药中的绿色化学开展基础研究;(2)在原子经济性和可持续发展的基础上研究合成化学和催化化学的基础问题,即绿色合成和绿色催化等;(3)综合利用现代生物技术和化学化工技术的绿色生化工程,如生物煤炭脱硫,微生物造纸,新生物煤炭脱
20、硫和新生物质能源等;(4)研究如何用类似于生物分子的自复制和自组装过程生产一般分子(特别是无机小分于)和特殊功能的纳米粒子。,我国把绿色化学列入重点支持的更大基础领域,确定如下具体目标:,绿色化学的目标能实现吗?回答是肯定的。 因为这是人类社会的共同愿望。但最终杜绝化学污染源,无疑在技术上、经济上都极为困难,它需要我们更新观念、改革化工设备和工艺。过去,化学科学只强调化合物的功能、化学反应的效率较少研究不利的有毒作用。 新任美国化学会会长在2000年1月发表的就职报告中指出,更安全的化学是化学家在21世纪化学学习的首要领域,科学技术是靠人才来推动的当新代化学家的绿色化学意识提高时,绿色化工的理
21、论和成果将充分地发展。近几年,绿色化学这一预防化学污染的新观点逐步被人们认识、接受。美国科学基金会和许多化工企业已提供专门基金资助绿色化学的研究。美国白宫继提出信息高速公路计划后,1995年,美国专设了总统绿色化学挑战奖,奖励有更大突破的绿色化学成果。,四、绿色化学的可行性,一、绿色化学的主要特点,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,第二章绿色化学原理,二、绿色化学的主要内容,1.预防(prevention):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
22、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”,5.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6.能量效率设计(design for energy efficiency
23、):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1
24、1.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,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,常用的许多化学、化工原料,如:氰氢酸、丙
25、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。清洁原料的战略任务是用生物质作化工原料。,1、 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。,石油与煤:早期人类主要利用植物等生物质,如用植物染料染布,从植物中提取 药用成分。 但150年前
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