第3章 绿色产品的设计原理(绿色化学原理与绿色产品设计课件.ppt

《第3章 绿色产品的设计原理(绿色化学原理与绿色产品设计课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第3章 绿色产品的设计原理(绿色化学原理与绿色产品设计课件.ppt（96页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、第三章,绿色产品的设计原理,二一五年三月十八日,design principle of green production,如何设计绿色产品？怎样清洁化生产绿色产品呢？第三章 绿色产品,第三章 绿色产品的设计原理,3.1 绿色设计途径与方法 3.2 可持续性分析途径与方法3.3 清洁化途径与方法,主要内容,第三章 绿色产品的设计原理3.1 绿色设计途径与方法 主,绿色化学及绿色产品的特点,绿色化学主要特点：,绿色化学及绿色产品的特点 一是产品本身对环境与人类无害,绿色产品强调绿色和功能兼重，它的意义在于能直接促使人们消费观念和生产方式的转变，其主要特点是以市场调节方式来实现环境保护为目标。公众以

2、购买绿色产品为时尚，促进企业以生产绿色产品作为获取经济利益的途径。这一点对全球可持续性经济的发展具有十分重要的现实意义。,绿色产品提出意义,1988年青岛电冰总产研究出将电冰箱氟氯烃的用量减少一半，符合欧盟标准！,铅酸电池发展为锂电池,绿色化学工艺革新,绿色产品强调绿色和功能兼重，它的意义在于能直接促使人,实现产品的绿色化一方面存在许多困难，是一项系统工程；另一方面，也给产品的绿色化提供了多种思路和途径。本章拟介绍三种绿色产品的设计思路和方法，它们的核心是一致的，但处理问题的切入点和侧重面有所不同。,绿色产品的实现,实现产品的绿色化一方面存在许多困难，是一项系统工程；,3.1 绿色设计途径与方

3、法,3.1.1“十二原则”应用分析3.1.2 绿色化工产品的绿色设计途径3.1.3 设计安全化学品3.1.4 其它绿色化工工艺设计思路,主要内容,3.1 绿色设计途径与方法3.1.1“十二原则”应用分析,3.1.1“十二原则”应用分析,十二原则,3.1.1“十二原则”应用分析十二原则 坚持“防止,3.1.1“十二原则”应用分析,在绿色产品设计中，就要求同时考虑产品的性能与毒性，在,3.1.1“十二原则”应用分析,在产品的设计中要尽可能的设计尽可再生资源作为原材料；,3.1.1“十二原则”应用分析,产物应当设计成为在使用之后能降解成为无毒害的降解产物,3.1.1“十二原则”应用分析,“十二原则”

4、被多数相关人士认为已十分全面，被用于指导产品的设计。但在实际应用中，一方面一个产品往往涉及技术、经济、政策法规等多个方面，需要多个部门或多种人才共同努力；另一方面，限于当前技术水平或企业效益、或市场因素等，完全符合“十二原则”的产品还很难一步到位。理想的绿色产品目标往往是渐进式的到达。所以，在实践中，如果一个产品在设计中采用了一种或多个原则，便可以认为该产品具有“绿色概念”。,3.1.1“十二原则”应用分析“十二原则”被多数相关,绿色化工产品的制造和设计过程可称之为绿色化工技术。,3.1.2 绿色化工产品的绿色设计途径,（1）绿色化工技术应符合如下特点：,原料均使用能持续利用的资源；,以安全的

5、用之不竭的能源供应为基础；,高效率的利用能源和其他资源，使反应过程中所用的物料能最大限度地进到终极产物中。尽可能降低化学过程所需能量，还应考虑对环境和经济的效益。合成程序尽可能在大气环境的温度和压强下进行；,绿色化工产品的制造和设计过程可称之为绿色化工技术。3.1.2,3.1.2 绿色化工产品的绿色设计途径,高效率的回收利用废旧物资和副产品，只要技术上、经济上是可行的，原料应能回收而不是使之变坏；,越来越充满活力，绿色化学理论为化学化工的发展注入了新的活力，在世纪必将大有可为。,越来越智能化，需要不断发展分析方法，在实时分析、进程中监测，特别是对形成危害物质的控制上；,3.1.2 绿色化工产品

6、的绿色设计途径 高效率的回收利用废,原料,反应溶剂,反应试剂,反应类型,反应条件,五个方面,（2）生产及其生产工艺对人类健康的影响,3.1.2 绿色化工产品的绿色设计途径,设计化学反应的生成物不仅具有所需的性能，还应具有最小的毒性。,（1）原料的起源：主要是指原料的来源，原料是来自天然产物的或是由人工合成的等。,（3）评价某种原料可否用于绿色生产的指标,（2）原料的可更新性：原料分为可更新资源和不可更新资源，其中可更新资源如水、电、沼气、作物等作为能源和原料有充足的来源，并当其有效作用完成后可以分解为无害的产物。,（3）原料的危害性：指对人类和生态环境的危害，这种危害或称为毒性不一定是当时便能

7、显现出来的，其有毒性也可能无法通过循环系统排出体系外而在体系内部慢慢积累起来。,（4）原料选择的下游影响：对原料本身的影响的分析仅是原料分析的一部分，对原料的下游产品的分析也是基于以上步骤进行的。,3.1.2 绿色化工产品的绿色设计途径,（1）原料的起源：主要是指原料的来源，原料是来自天然产物的或,3.1.3.1 设计安全化学品的定义,设计安全化学品的定义是利用构效关系和分子改造的手段使化学品的毒理效力和其功效达到最适当的平衡。因为化学品往往很难达到完全无毒或达到最强的功效，所以两个目标的权衡是设计安全化学品的关键，应该在这些产品被期望功效得以实现的同时，将它们的毒性降低到最低限度。设计安全化

8、学品使化学家在设计时有了新的考虑角度，即发展和应用对人类健康和环境无毒、无危险性的试剂、溶剂及其它实用化学品。,3.1.3 设计安全化学品,3.1.3.1 设计安全化学品的定义 设计安全化学品的,3.1.3.2 设计安全化学品所考虑的诸因素,通常设计化学品时希望其最好不能进入生物有机体，或者即使进入生物体，也不会对生物体的生化和生理过程产生不利的影响。化学家必须掌握设计安全化学品知识，建立判别化学结构与生物效果的理论体系。他们必须能从分子水平避免不利的生物效果，同时还必须考虑化学品在环境中可能发生的结构变化、降解，其在空气、水、土壤中的扩散以及潜在的危害。设计安全化学品通常要考虑的因素有外部的

9、和内部的因素：,(1)外部因素减少暴露或降低进入生物体的机会(2)内部因素防止毒性,3.1.3 设计安全化学品,3.1.3.2 设计安全化学品所考虑的诸因素 通常设计,(1)外部因素减少暴露或降低进入生物体的机会,挥发度密度熔点；在水中的溶解度；残留性生物降解性能：氧化反应性质；水解反应性质；光解反应性质；微生物降解性质；转化为生物活性(毒性)物质的可能性；转化为生物非活性物质的可能性；挥发性；油溶性；分子大小；降解性质：水解；pH值的影响；对消化酶的敏感度。,3.1.3 设计安全化学品,首先考虑化学品在环境中的分布扩散相关的性质：,其次考虑化学品被生物体吸收相关的性质：,(1)外部因素减少暴

10、露或降低进入生物体的机会 3.1.3,皮肤吸收；眼睛吸收；肺吸收；消化道吸收；呼吸系统吸收或其他特定生物的吸收途径。是否有各种化学杂质的产生；是否有有毒的同系物的存在；是否有有毒的几何构象或立体异构体的存在。,3.1.3 设计安全化学品,第三考虑化学品被人类、动物或水生生物吸收的途径：,第四考虑杂质的减少或消除：,3.1.3 设计安全化学品第三考虑化学品被人类、动物,(2)内部因素防止毒性,排泄的便利：选择亲水性化合物;增大物质分子与葡萄糖醛酸、硫酸盐、氨基酸结合的可能性或使分子易于乙酰化；生物降解的便利：氧化作用；还原作用；水解作用。选择的化学品种类或母体化合物无毒；选择官能团：避免有毒基团

11、；计划有毒结构的生化消除；利用结构屏蔽有毒基团的作用；选择其他来替代有毒基团,首先考虑解毒的便利性：,其次考虑避免物质的直接毒性：,3.1.3 设计安全化学品,(2)内部因素防止毒性 首先考虑解毒的便利性：,避免具有活化途径的化学品：高亲电或亲核基团；不饱和键；其他分子结构特征；对可生物活化的结构进行结构屏蔽。,第三考虑避免间接中毒生物活化：,3.1.3 设计安全化学品,第三考虑避免间接中毒生物活化：3.1.3 设计安,3.1.3.3 设计安全化学品的方法,第一种方法，如果已知某一反应是毒性产生的必要条件，则可以通过改变结构使这个反应不发生，从而避免或降低该化学品的危害性。当然，任何结构的改变

12、必须确保分子的性质与功效不变。第二种方法适用于毒性机理不明确的情况。对许多毒性机理不为人知的化合物，那么通过化学结构中某些官能团与毒性的关系，设计时可以尽量通过避免、降低或除去同毒性有关的官能团来降低毒性。,3.1.3 设计安全化学品,3.1.3.3 设计安全化学品的方法 第一种方法，如果,第三种途径是降低有毒物质的生物利用率的方法。该方法的理论基础是，如果一种物质是有毒的，但当它不能到达使毒性发生作用的目标器官时，其毒性作用就无法发生。化学家可以利用改变分子的物理化学性质如水溶性、极性的知识，控制分子使其难于或不能被生物膜和组织吸收，通过降低吸收和生物利用率，毒性可以得到削弱。,3.1.3

13、设计安全化学品,第三种途径是降低有毒物质的生物利用率的方法。该方法的,3.1.4 其他绿色化工工艺设计思路,3.1.4.1 使用安全溶剂和助剂3.1.4.2 能源经济性 3.1.4.3 可再生原料3.1.4.4 减少衍生物3.1.4.5 使用环境友好催化剂3.1.4.6 降解设计3.1.4.7 预防污染的实时分析3.1.4.8 防止意外事故的安全工艺,3.1.4 其他绿色化工工艺设计思路3.1.4.1 使用安全,3.1.4.1 使用安全溶剂和助剂,在传统的有机反应中，有机溶剂是最常用的反应介质，因为它们能很好地溶解有机化合物，使其能够在液相中进行反应合成。助剂是为了克服合成中的一些障碍，如分离

14、用助剂。溶剂和助剂被用得非常广泛，以至于很少有人评估其是否有使用的必要。常用的溶剂中有卤化物溶剂如CH2Cl2、CHCl3、CCl4等，以及芳香烃溶剂如苯等，由于它们良好的溶解性，其应用相当广泛。20世纪氟里昂作为清洗剂、推进剂、发泡剂等被广泛应用。溶剂和助剂的广泛使用往往会对人类健康和环境产生一些问题。最著名例子就是臭氧层的破坏。氯氟烃(Chlorofluocarbons，缩写为CFCs)对,3.1.4.1 使用安全溶剂和助剂 在传统的有机反应,人类及野生动物的直接毒性很小，并具有低的事故隐患，如不易燃烧、不易爆炸等优点，在20世纪得到了广泛的利用，没人怀疑其在各种用途中的有效性，但是氯氟烃

15、对臭氧层的破坏与造成的环境影响是众所周知的。溶剂和助剂的使用不仅对人类健康与环境产生危害，而且大量地消耗能源与资源，因此应尽量减少其使用量。在必须使用时，应选择无害的物质来替代有害的溶剂和助剂。这方面的研究是绿色化学的研究方向之一，下面介绍几种清洁的溶剂和助剂或避免使用有毒溶剂和助剂的方法。,3.1.4.1 使用安全溶剂和助剂,人类及野生动物的直接毒性很小，并具有低的事故隐患，如不易燃烧,3.1.4.1.1超临界流体,超临界流体是指当物质处于其临界点(指气、液两相共存线的终结点，此时气液两相的相对密度一致，差别消失)以上时所形成的一种无论温度和压力如何变化都不凝缩的流体相，是一种介于气态与液态

16、之间的流体状态。超临界流体性质介于气液之间，并易于随压力调节，有近似于气体的流动行为，粘度小、传质系数大，但其相对密度大，溶解度也比气相大得多，又表现出一定的液体行为。,3.1.4.1 使用安全溶剂和助剂,3.1.4.1.1超临界流体 超临界流体是指当物质处于,(1)高溶解能力 只需改变压力，就可控制反应的相态。既可使反应呈均相，又可控制反应呈非均相。超临界流体对大多数固体有机化合物都可以溶解，使反应在均相中进行。(2)高扩散系数 在超临界状态下，由于组分在超临界流体中的扩散系数相当大，对气体的溶解性大，对于受扩散制约的一些反应可以显著提高其反应速率；(3)有效控制反应活性和选择性 具有连续变

17、化的物性(密度、极性和粘度等)，可通过溶剂与溶质或者溶质与溶质之间的分子作用力产生溶剂效应和局部凝聚作用的影响有效控制反应活性和选择性；,3.1.4.1 使用安全溶剂和助剂,(1)高溶解能力 只需改变压力，就可控制反应的相态。既可使,(4)无毒性和不燃性 超临界流体是无毒和不燃的，有利于安全生产，而且来源丰富，价格低廉，有利于推广使用，降低成本。超临界流体在萃取、色谱分离、重结晶以及有机反应等方面表现出很强优越性，在化学化工中获得实际应用。在有机合成中，超临界CO2由于其临界温度(304K)和临界压力(72.8 atm)较低、具有能溶解脂溶性反应物和产物、无毒、阻燃、价廉易得、可循环使用等优点

18、而迅速成为最常用的超临界流体。,3.1.4.1 使用安全溶剂和助剂,(4)无毒性和不燃性 超临界流体是无毒和不燃的，有利,3.1.4.1.2离子液体,离子液体不同于典型的分子溶剂，在离子液体里没有电中性的分子，100%是阴离子和阳离子，在负100至200 之间均呈液体状态，如EtNH3NO3(熔点为12)。与传统的有机溶剂(VOC)、水、超临界流体等相比，许多种新的离子液体不挥发，其蒸气压为零，在较高温度下不挥发；以液态存在的温度范围宽，不燃、不爆炸、不氧化，具有高的热稳定性，是许多有机物、无机物和高分子材料的优良溶剂；其粘度低、热容大，有的对水、对空气均稳定，故易于处理；制造较容易，不太昂贵

19、；部分离子液体还表现出酸性及超强酸性质，使得它不仅可以作为溶剂使用，而且还可以作为某些反应的催,3.1.4.1 使用安全溶剂和助剂,3.1.4.1.2离子液体 离子液体不同于典型的分子溶,化剂使用，这些催化活性的溶剂避免额外的可能有毒的催化剂或可能产生大量废弃物的缺点；品种有数百种乃至更多，因此被认为是理想的绿色高效溶剂。离子液体可为化学反应提供新的反应环境，因此广泛应用于化学反应和分离过程。,3.1.4.1 使用安全溶剂和助剂,化剂使用，这些催化活性的溶剂避免额外的可能有毒的催化剂或可能,3.1.4.1.3水,水相反应成为绿色有机合成的一个热点，研究结果表明：有些合成反应不仅可以在水相中进行

20、，而且还具有很高的选择性。最为典型的例子是环戊二烯与甲基乙烯酮发生的D-A环加成反应，在水中进行较之在异辛烷中进行速率快700倍。另外，超临界水反应的研究十分活跃。同传统的溶剂相比，使用水做溶剂不会增加废物流的浓度。因此，水是一种理想的环境无害溶剂。,3.1.4.1 使用安全溶剂和助剂,3.1.4.1.3水 水相反应成为绿色有机合成的一个热,3.1.3.5.4 无溶剂反应,无溶剂反应是减少溶剂和助剂使用的最佳方法，其不仅在对人类健康与环境安全方面具有巨大优点，而且有利于降低费用，是绿色化学的重要研究方向之一。在无溶剂存在下进行的反应大致可分为三类：原料与试剂作溶剂的反应；试剂与原料在熔融状态下

21、反应，以获得好的混合性及最佳的反应条件；固体表面反应。固态化学反应的研究吸引了无机、有机材料及理论化学等多学科的关注，某些固态反应已用于工业生产。固态化学反应实际上是在无溶剂存在的环境下进行的反应，有时比在溶液环境中的反应能耗低、效果更好、选择性更高，又不用考虑废物处理问题，有利于环境保护。,3.1.4.1 使用安全溶剂和助剂,3.1.3.5.4 无溶剂反应 无溶剂反应是减少溶剂和,3.1.4.1.5固定化溶剂,有机溶助剂对人类健康与环境的危害主要来自于其挥发性，解决这一问题的方法之一就是使用固定化的溶剂。实现溶剂固定化的方法有多种，但目标是一致的，即保持一种材料的溶解能力而使其不挥发。常用的

22、方法有将溶剂分子连接到固体载体上；或者在高分子主链上直接构建溶剂分子；另外还有本身有良好的溶解性能且无害的新型聚合物也可作为溶剂。,3.1.4.1 使用安全溶剂和助剂,3.1.4.1.5固定化溶剂 有机溶助剂对人类健康与,3.1.4.2 能源经济性,3.1.4.2.1化学工业中使用的能量,在工业化国家里，化学工业消耗了很大部分的能量，是耗能最大的工业之一。对于一个需要加入外界能量才能发生的反应，往往需要加入一定的热量用以克服其活化能。这类反应可以通过选择合适的催化剂来降低反应活化能，从而降低反应发生所需的初始热量。若反应是吸热的，则反应开始后需要持续加入热量以使反应进行得完全。相反，若反应是放

23、热的，则需要冷却以移出热量来控制反应。在化工生产中有时也需要降低反应速度以防止反应失控而发生事故。无论加热还是冷却，均需要较大的能源费用并对环境产生影响。,3.1.4.2 能源经济性3.1.4.2.1化学工业中使用的,3.1.4.2 能源经济性,此外，化工过程中的分离、提纯是一个相当消耗能量的步骤。通常的净化与分离可通过精馏、萃取、再结晶、超滤等操作实现，这些都需要大量的能量来实现产品从杂质中的分离。,3.1.4.2 能源经济性 此外，化工过程中的分离、提,3.1.4.2.2可利用的能量,几种较为常用的能量形式,(1)电能 电化学过程是清洁技术的重要组成部分，由于电解一般无需使用危险或有毒试剂

24、，通常在常温常压下进行，在清洁合成中具有独特的魅力。(2)光能 光能被反应中的分子，分子被激发到高能态，然后电子激发态分子进行化学反应，这就是光化学反应。该反光化学反应的活化能来源于光子的能量。国内外研究者提出应开发利用自然光源或自然、人工光源相结合的技术，充分利用清洁的可再生能源，使太阳能利用与环境保护相结合，发挥光催化降解在环境污染治理中的优势。,3.1.4.2 能源经济性,3.1.4.2.2可利用的能量 几种较为常用的能量形式(1),(3)微波 微波是指频率在300MHz300GHz(即波长1m1mm)范围的电磁波，位于电磁波谱的红外辐射和无线电波之间。微波被应用于烧结、水热合成、化学气

25、相沉积等方面。微波协助萃取在环境样品的有机氯化合物的检测中就显示了其优越性。在微波条件下的萃取应用不需热能，萃取时间短，且萃取效果更完全。(4)声波 一些反应如环加成、周环反应可采用超声波的能量来催化进行。研究发现超声能对某些类型的转换可以起催化剂的作用。超声波可以改变反应的进程，提高反应的选择性，增加化学反应的速率和产率，降低能耗和减少废物的排放，因此，声化学技术是一种安全无害的“绿色技术”，在合成化学中具有广泛的。,3.1.4.2 能源经济性,(3)微波 微波是指频率在300MHz300GHz(即,3.1.4.2.3优化反应的能量需求,在一个合成反应路线被证明可行时，化学家往往要去优化它。

26、通常，“优化”是指提高产率或转化率，并不“考虑”上述能量因素的优化，而将能量平衡的问题留给了负责工艺过程的工程师。然而，能量的使用也像有毒有害物质的使用、废物的产生等问题一样，应当成为化学家设计反应时关注的对象。在可能的情况下，化学家应考虑如何将能耗降到最小，这往往需要通过对反应体系的设计、调整和优化才能实现。例如化学工业中耗能最大的是净化与分离过程，若能设法减少分离操作步骤，则可以节约很多能量。,3.1.4.2 能源经济性,3.1.4.2.3优化反应的能量需求 在一个,3.1.4.3.1传统资源及其对环境的影响,目前世界所需能源和有机化工原料绝大部分来源于化石燃料（石油、煤和天然气），使用石

27、油这一原料使人类和环境付出了沉重的代价，此外，由石油转化为有用的有机化学品需要通过氧化反应，而氧化反应是一个由来已久的环境污染步骤，如重金属氧化剂的使用导致人类健康和环境的污染。化石燃料的再生周期非常漫长，需要几百万年甚至更长，我们认为是不可再生的，而且在地球上的储量是有限的，开采一点就少一点，终究会有枯竭的一天。这些化石燃料对社会的发展和经济的繁荣作出了巨大的贡献，但从长远来考虑，它们不是人类所能长久依赖的理想资源。,全国每年工业废气排放量达6200亿Nm3，工业废弃物排放量达7.4亿t，造成了生态环境的恶化和自然生态的失衡。,3.1.4.3 可再生原料,3.1.4.3.1传统资源及其对环境

28、的影响 目前世界所,3.1.4.3.2 可再生原料,3.1.4.3 可再生原料,可再生原料通常指生物、植物基础的原料，消耗后可在一定的时间范围(准确地说指人类的生命周期)内可生产的物质，如CO2和CH4。作为人类能够长久依赖的未来资源和能源必须是在很长时间范围内储量丰富，最好是可再生的，而且它的利用不会引起环境污染。基于这一原则，普遍认为以植物为主的生物质资源将是人类未来的理想选择。目前，化学合成特别是有机合成，变得越来越复杂，其要解决的问题也越来越具有挑战性。有时为使一个特别的反应发生，需要通过进行分子修饰或产生所需物质的衍生物来辅助实现。,3.1.4.3.2 可再生原料3.1.4.3 可再

29、生原料,3.1.4.4 减少衍生物,下面介绍化学合成中的一些衍生现象及其弊端。(1)保护与去保护 当进行多步反应时，常常有必要把一些敏感官能团保护起来，防止其发生不希望的反应，否则会危害其功效。如通过产生苄基来保护醇羟基，使分子发生氧化反应而不影响醇羟基，反应完成后，苄基解离除去。(2)暂时改性 通常为了某种加工需要，要改变某些物质的物理或化学性质。如有时要对粘度、蒸汽压、极性及水溶解度等进行暂时的改性以易于加工；或暂时把一种化合物转化成它的盐以便于分离。当功能完成后，原始物质可以容易地再生成。显然，在原始材料再生过程中，所加入的辅助材料成了废物。,3.1.4.4 减少衍生物下面介绍化学合成中

30、的一些衍生现象及,(3)加入功能团提高反应选择性 当一个分子中存在几个反应位时，必须设计合成方法以使反应发生在所需要的位置。实现这一目标的方法之一是先使这个位置引入一个易于同反应物反应的衍生基团，而该基团又能容易地离开。这样反应就可以优先发生在所要求的位置，提高了反应的选择性。这些形式的衍生方法在精细化学品、制药、农药及一些染料的合成中广泛地使用。衍生步骤不仅消耗资源和能量，而且必然产生废物。有时所需的试剂或所产生的废物具有较大的毒性，还需要特殊处理。因此，在化学过程中应最大限度地避免衍生步骤，减少衍生物，以降低原料的消耗及对人类健康与环境的影响。,3.1.4.4 减少衍生物,(3)加入功能团

31、提高反应选择性 当一个分子中存在几个反应位,3.1.4.5使用环境友好催化剂,对于化学计量反应存在以下几种情况：部分原料不能完全发生反应，因此即使产率是100，也还有剩余的未反应原料；原料中只有部分是最终产品所需要的，其它的部分就成为废物；为了进行或促进反应，需加入额外的试剂，而这些试剂在反应完成后被排放到废物流中。因此，催化剂的使用是有益的，催化反应较传统的化学计量反应具有许多突出的优点。催化剂的作用是促进反应的进行，但本身在反应中不被消耗，也不结合到最终产品中。这种促进作用可能有两种形式：(1)降低反应活化能 催化剂通过降低反应活化能而促进反应进行，这不仅有益于控制而且可降低反应发生所需的

32、温度。,3.1.4.5使用环境友好催化剂 对于化学计量反应存在以,在大规模生产中，这种能量降低无论从环保还是经济方面来看，均是非常有益的。(2)增强选择性 选择性催化可实现反应程度、反应位置及立体结构方面的控制。选择性催化不仅可提高原料的利用率，而且可降低废物的产生。正确地选用催化剂，不仅可以加速反应的进程，极大地改善化学反应的选择性和提高转化率，提高质量、降低成本，而且能从根本上减少或消除副产物的产生，减少污染，最大限度地利用各种资源，保护生态环境，是绿色化学目标实现的重要工具。,3.1.4.5使用环境友好催化剂,在大规模生产中，这种能量降低无论从环保还是经济方面来看，均是,3.1.4.6

33、降解设计,某些化学品在被使用后或被释放到环境中后，其在环境中保持原状，或被各种植物和动物吸收并在动植物体内累积与放大，这就是所谓的“持久性化学品”或“持久性生物累积”。这些化学品会对人类和生物体产生直接或间接的危害，如塑料和农药。绿色化学认为设计化学产品时必须考虑使用结束后，它们能否降解为无害的物质。在开发降解方法与设计化学品的降解性时，应评价降解前后化合物的毒性和危害性。若降解生成的物质具有相近或更大的危害性，降解就失去了其绿色的意义。正如绿色化学的其他过程一样，降解过程的开发与设计应充分考虑其对人类健康、生态系统、野生动物及整体环境的影响。,3.1.4.6 降解设计 某些化学品在被使用后或

34、被释放,3.1.4.7预防污染的实时分析,为了最大限度地利用资源和预防污染，实现绿色化学的目标，要求现代分析化学不再局限于测定物质的组成及含量，而是要进行形态、微区表面、微观结构分析和对化学及生物活性等做出瞬时追踪、无损和在线监测等分析及过程控制。如何从化学过程及生命和环境过程获取量测数据，并通过对量测数据的解析来控制工业生产，进行新产品开发，降低成本，减少环境污染，成为一个很迫切的问题。为了达到绿色化学的目标，分析技术既要可用于在线分析又要可用于即时分析。只有做到生产过程中快速监测，才能对化学过程中有害产品的生成和副反应进行跟踪，当微量有毒物,3.1.4.7预防污染的实时分析 为了最大限度地

35、利用资,质产生时，可能可以通过反应条件的调节减少或消除这些有毒物质。另一方面，过程分析化学家在监测反应过程时可以判断反应是否完成。有的化学反应需要不断加入试剂以使反应完全，这时如果能快速检测到反应完全，就不必加入多余的试剂，从而减少了废弃物的产生。若将传感器和过程控制系统连接起来，这种极度降低有害物的生产过程就很可能是自动化。,3.1.4.7预防污染的实时分析,质产生时，可能可以通过反应条件的调节减少或消除这些有毒物质。,3.1.4.8防止意外事故的安全工艺,化学与化学工业中防止事故发生的重要性是众所周知的，因为许多化学意外事故严重影响了人们的健康和生命，恶化了当地的生态和生存环境，造成巨大的

36、经济损失，化工事故对于地方区域有着毁灭性的影响。绿色化学的目标是消除或减少所有的危害，而不仅仅是污染与生态毒性。在极度降低废物的产生以防止污染时，也可能会无意中增加事故发生的可能性。比如，将化工过程的溶剂循环使用可以减少向环境中的释放量，但这也可能增加化学事故或火灾的隐患。,3.1.4.8防止意外事故的安全工艺 化学与化学工业中,对于一个化学过程，必须有效地处理好污染防止同事故防止之间的平衡。达到安全化学过程的途径之一是慎重选择物质及物质的状态，比如，使用固体或具有低蒸汽压的物质代替液体或气体，用可以携带卤素的试剂代替卤素。还应充分考虑由选用的物质的毒性、易燃性、易爆性所带来的危害。另外，可利

37、用及时处理技术对有害物质进行快速处理。通过这种技术，化工公司可消除长期大量贮存有害物质的需要，从而大大降低了事故的隐患。,3.1.4.8防止意外事故的安全工艺,对于一个化学过程，必须有效地处理好污染防止同事故防止之间的平,3.2可持续性分析途径与方法,1972年6月5日，联合国召开了人类环境会议，提出了人类环境的概念，并通过了人类环境宣言成立了环境规划署。1987年4月27日，世界环境与发展委员会发表了一份题为我们共同的未来的报告，提出了“可持续发展”的战略思想，确定了可持续发展（Sustainable Development）的概念。由于可持续发展依照的原则是环境友好原则，认为环境与发展是不

38、可分割的，是相互依存、密切相关的。所以，可持续发展的战略思想与分析方法是实现产品绿色化的重要途径之一。,3.2可持续性分析途径与方法 1972年6月5日，联合,3.2.1可持续性的定义,可持续性,既满足当代人的需要，又不对后代人满足其需要能力构成危害的发展。,首先，自然科学在可持续发展中是非常重要的。短期影响：长期影响：其一：技术圈(Technological sphere)需要从生物圈(Biosphere)中提取材料与能源，如果他对这些资源的消耗超过生成速度，则可成为影响满足后代人需要的可能；,包括直接的危害、毒性等；,其二：为技术圈向生物圈排放废物，这意味着其可能破坏生态系统而影响生物圈的

39、资源生产能力。,3.2.1可持续性的定义可持续性既满足当代人的需要，又不对后,可持续发展只有在不同科学方面的边界条件均得到满足才能实现。,自然科学方面的边界条件,制造产品的资源不会被耗尽,技术圈产生的排放物不危机生态系统,因为高的效率意味着资源的节约与废物产生的减少。所以，效率可被看作是技术圈的可持续性的第三个边界条件。,可持续发展只有在不同科学方面的边界条件均得到满足才能实,每个技术过程的不可逆性与能量质量的降低均能同的减少有关。由于所有能量与材料均具有，所以，它被用来量化可持续性。,“”概念：,亦称为有效能，是用来表示能量的质量的热力学概念，其大小可反映一定数量的能量相对于一个平衡的环境状

40、态所具有的作功能力。,每个技术过程的不可逆性与能量质量的降低均能同的减少,生物圈同技术圈的可持续相互作用参见图3-1。这是一个以太阳能为动力的材料封闭循环过程。生物圈产生的高质量产品（如农作物、树木）被技术圈消耗以提供人类需要的物品，其产生的低质量物质（水、CO2）又被排放回生物圈。在整个过程中只有太阳能是动力，所有材料均是可循环的，因此是一个可持续的过程。,图3-1 以太阳能为动力的封闭材料循环,3.2.2量化可持续性的参数,太阳能生物圈技术圈热低质量物质高质量物质（农作物、树木）,人类目前的活动状态示于图3-2中。人类从环境中提取高含量的不可更新资源，而向环境中排放废物。由于输入与输出不匹

41、配，材料的循环是不封闭的。另外，在使用材料时没有完全利用这些材料。,图3-2以太阳能为动力的非封闭材料循环,太阳能目前的状态热辐射不可更新资源（耗竭）排放物人类目前的活,因此，可从三个方面来描述一个产品或过程的可持续性：可更新资源的使用情况、废物的排放情况及过程的效率。这三个方面分别反应一个产品或过程对不可更新资源的消耗情况，对环境的污染情况及对能源的有效利用情况，可以全面地反应一个产品或过程的可持续性。一个过程的可持续性可用以下5个参数来定量描述：可更新性参数环境效率参数生产效率参数总体效率参数总体可持续性参数,因此，可从三个方面来描述一个产品或过程的可持续性：可,一个过程需要使用一种或几种

42、资源来生产最终产品。若其使用的为不可更新资源，则面临着原料枯竭的危险，同时也对环境具有负面影响。因此，一个可持续的过程应全部使用可更新资源。可更新资源的定义为那些生成速度等于或高于其消耗速度的资源。不可更新资源是指那些生成速度低于消耗速度的资源。一种资源的可更新性因子可用式（3-1）计算：,Rprod该资源的生成速度Rcons该资源的消耗速度,对于可更新资源,（1）过程的可更新性参数,一个过程需要使用一种或几种资源来生产最终产品。若其,对于一个可持续的过程，可更新参数：对于一个实际过程，可更新参数：注：在计算时，不仅必须考虑一个过程中所有的资源，而且还应考虑生成这些资源时所需最初资源的可更新性

43、。,式（3-2）,可更新性参数,一个过程中消耗的可更新占所有消耗的分数。,对于一个可持续的过程，可更新参数：式（3-2）可更新,一个生产过程所消耗的所有可用下式计算：,式中R1为生产过程中排放物处理消耗的；R2为生产过程所需的；R3为产品使用后转化成无害物质所需要消耗的。过程的环境效率参数计算：,式（3-3）,式（3-4）,（2）过程的环境效率参数,可持续生物圈/技术圈系统中资源与废物的交换：,一个生产过程所消耗的所有可用下式计算：式中R,生物圈,太阳,热,资源,无害物质,生产过程,排放物,排放物处理,产品使用,技术圈,产品处理,产品使用后,热,有用产品,图3-4 可持续生物圈/技术圈系统中资

44、源与废物的交换,生物圈太阳热资源无害物质生产过程排放物排放物处理产品使用技术,一个过程生产效率在描述其可持续性时非常重要。效率越高，则利用一定的输入可生产更多的产品，具有更大的可持续性。一个过程的生产效率参数可用下式计算：,021，并且E+P+IP=R2（如图3-4）E表示生产过程中无用的流速，P为有用产物的流速；IP为过程的不可逆性的；经推导可得到Rcons同P成正比，而同（1 2）成反比，即,（3-6）,（3）过程的生产效率参数,一个过程生产效率在描述其可持续性时非常重要。效率越高,或,（3-7）,这里=1 2，称为技术圈的总体效率参数。综上所述，一个可持续的过程应完全使用可更新资源（=1

45、），将所有的原料均转化至所需的产品并不破坏生物域（=1）。因此可定义如下一个过程的总体可持续性参数：,（3-8）,或（3-7）这里=1 2，称为技术圈的总体效率参数。,计算该过程中所有原料、中间体和产物的。计算生产过程中排放物处理所消耗的（R1）。计算产品使用后处理所消耗的（R3）。计算描述可持续性的参数、1、2、S。分析与评估,3.2.3可持续性分析方法与应用实例,对一个产品或过程进行可持续性分析与评估的步骤如下：,在计算中应全面考虑各种不同类型的资源，特别是对于可更新资源，应考察其在生物圈中生成时所消耗资源的可更新性。下面以乙醇生产为例来比较不同生成方法的可持续性。,计算该过程中所有原料、

46、中间体和产物的。3.2.3可持,乙醇是一个广泛使用的化学品，其可作为溶剂或化学反应试剂在工业上使用，也可作为能源用作发动机燃料。另外，利用农作物生产的乙醇可用作制造各种酒类。乙醇可通过矿物资源或农作物发酵在工业上生产，也可通过光电池和电解生成H2，然后同CO2反应合成。这里对这三种过程分别估算其可持续性参数，从而比较它们在可持续性方面的优劣。（1）由矿物资源生产乙醇的过程 由矿物资源（不可更新资源）生产乙醇的过程示于图3-5中，该过程所需的输入、中间体和输出示于表3-1。为了使该过程不影响环境，必须对过程中产生的废物及产品使用后生成的废物进行处理。在本过程中，输入,乙醇是一个广泛使用的化学品，

47、其可作为溶剂或化学反应试,的不可更新燃料被转化成CO2和H2O，如果不对CO2进行处理，则可引起大气中CO2浓度的增加，从而导致温室效应。理想的可持续性处理方法为，将其转化成原始的燃料并储存于原来的地下位置。但该想法在技术上是无法实现的。一个较好的降低影像的方法为，将其储存于地下枯竭的油井与天然气井里，这样CO2引起的气候影响可被消除。因此，必须将CO2从烟道气中分离出来并注入地下。,的不可更新燃料被转化成CO2和H2O，如果不对CO2进行处理,表3-1 矿物资源生成乙醇所需输入、中间体、输出,表3-1 矿物资源生成乙醇所需输入、中间体、输出,该过程中CO2的产生有三个来源，乙烯生产过程、动力

48、产生过程（由天然气发电）和产品乙醇消耗后转化的CO2。经计算可得R1=9.5MJ/kg Etoh（乙烯生产过程+电力产生过程中产生的CO2的处理所消耗的）。该过程的各种描述可持续性的参数示于表3-2。,该过程中CO2的产生有三个来源，乙烯生产过程、动力产,（2）由农作物发酵生产乙醇的过程 由农作物发酵生产乙醇过程简图示于图3-6，该过程所需的输入、中间和输出示于表3-3。农业与发酵过程中需要使用矿物资源与化石燃料以生产化肥、农药与所需的动力。因此该过程的可更新参数a1。,图3-6 由农作物发酵生产乙醇的过程,（2）由农作物发酵生产乙醇的过程 由农作物发酵生产乙醇过程,表3-3 农业/发酵生产乙

49、醇过程的输入、中间体和输出,经计算可得该过程的R2=13043GJ/(ha.a)。由于该产物最终产生的CO2可在农作物生长过程中被全部吸收，没有净CO2生成，因此,表3-3 农业/发酵生产乙醇过程的输入、中间体和输出,R3=0。但在农业过程与发酵过程中需要使用不可更新资源，如农业生产中需要使用的化肥、农药及机械功消耗的燃料，发酵过程中需要使用天然气提供动力和产生蒸汽等均导致CO2的排放。所有这些CO2均需被处理，其消耗的为R1=6.94GJ/(ha.a)。,该过程的各种描述可持续性的参数示于表3-2。,R3=0。但在农业过程与发酵过程中需要使用不可更新资源，如农,（3）由H2和CO2合成乙醇的

50、过程 用光太阳能电池和电解产生H2，然后同CO2合成乙醇的过程示于图3-7，该过程所需的输入、中间和输出示于表3-4。与农作物发酵过程相似，该过程的R3=0。可由该过程所需的所有不可更新资源产生的CO2的处理算出，R1=114GJ/(ha.a),图3-7 利用太阳能产H2，然后与CO2合成乙醇的过程,（3）由H2和CO2合成乙醇的过程 用光太阳能电池和电解产,表3-4 H2/CO2 生产乙醇过程的输入、中间体和输出,表3-4 H2/CO2 生产乙醇过程的输入、中间体和,该过程的各种描述可持续性的参数示于表3-2。,该过程的各种描述可持续性的参数示于表3-2。,（4）各种乙醇生产过程可持续性的评