浅谈绿色化学与化学工业的可持续发展毕业论文.doc

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1、浅谈绿色化学与化学工业的可持续发展【摘要】：绿色化学是以可持续发展为理念的新科学和新技术。本文从诸如催化技术、生物技术、微波技术等绿色化学化工技术, 绿色化学所引起的产业革命等方面, 阐明了绿色化学是我国化学工业可持续发展的必由之路。【关键词】：绿色化学，化学工业，可持续发展引言绿色化学(Green Chemistry)，又称环境无害化学(Environmentally Benign Chemistry)、环境友好化学(Environmentally Friendly Chemistry)、清洁化学(Clean Chemistry)，由美国化学会（ACS）提出，目前得到了世界广泛的响应。绿色化

2、学的核心是利用化学原理从源头上减少和消除工业生产对环境的污染；反应物的原子全部转化为期望的最终产物。而其理想在于不再使用有害有毒的物质,不再产生废物,不再处理废物, 是一门从源头防治污染的化学。绿色化学是当今国际化学学科的研究前沿,它综合了化学、物理、生物、材料、环境、计算机等学科的最新理论和技术, 是具有明确社会需求和科学目标的新型交叉学科。从科学观点来看,绿色化学是对传统化学思维方式的更新和发展；从环境观点来看,它是从源头上消除污染；从经济观点来看,它综合利用资源, 降低生产成本,符合经济可持续发展的要求。一、绿色化学化工技术1催化技术催化剂是化学工艺的基础,是使许多化学反应实现工业应用的

3、关键, 目前大多数化工产品的生产均采用了催化反应技术。可以说,现代化学工业中,最重要的成就都与催化剂的应用密切相关。1999 年度美国“总统绿色化学挑战奖”, 授予Carnegie Mellon大学的T.J.Collins教授,表彰他在过氧化氢催化剂上所做的工作。正确的选用催化剂, 不仅可以加速反应的过程,极大地改善化学反应的选择性和提高转化率,提高产品的质量,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。这正是绿色化学研究所追求的目标，其主要研究方向如下： 采用安全的固体( 如分子筛,杂多酸等) 催化剂替代有害的液体催化剂, 如HF、HNO3

4、 和H2SO4, 简化工艺流程, 减少“三废”的排放量。 合成化学中采用选择性的大孔分子筛作催化剂。例如，Wagner等最近合成出具有10元环(10MR)和18元环(18MR)孔道交替排列的新沸石分子筛SSZ-35和SSZ-44，这种超大微孔沸石分子筛对大分子的催化应用有很好的工业前景。 在精细化工生产中, 采用不对称催化合成技术，得到光学纯手性产品, 减少有害原料和有毒副产物。即利用手性催化剂( 过渡金属配合物)作为模板控制反应物的对映面, 实现产物大量快速的手性增殖。 采用茂金属催化剂合成具有设计者所要求的物理特性的高分子烯烃聚合物。 药物合成中采用超分子催化剂, 并进行分子记忆和模式识别

5、。 用生物催化法可除去石油馏分中的硫、氮和金属盐类。 有机合成中采用生物催化法，减少“三废”的排放。 在合成化学中，更多采用环境相容性的电催化过程。 在固定和移动能源中采用催化燃烧法, 作为无污染动力。 在同一体系中，采用酶、无机和金属有机催化剂,进行增效的多功能催化反应。 在环境经济更密切结合的反应和产品的分离中,广泛应用膜技术与多功能催化反应器。2生物技术生物技术是当代科学的高新技术, 生物化工被认为是2l 世纪最具有发展潜力的产业之一。生物技术在医药、食品、能源、冶金、化工、精细化学品的制造等方面具有广泛的应用。它的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

6、实现一般化工技术难以实现的化工过程, 特别是具有光学活性的不对称化合物，如人工合成胰岛素、多肽化合物、抗菌素、干扰素、甾体激素类等药物的制备。生物技术主要包括基因工程、细胞工程、酶工程和微生物工程，它们彼此相互渗透、相互交融。基因工程是生物技术的主导技术，细胞工程是生物技术的基础，酶工程是生物技术的条件，微生物细胞工程和生物化学工程是生物技术实现工业化、获得最终产品、转化为生产力的关键。生物技术在化学工业上应用广泛。例如英国ICI 公司以甲醇为原料, 采用经过基因工程改造的嗜甲醇菌生产单细胞蛋白,每年产量可达50006000 吨, 产品中含粗蛋白达72%, 核酸为1417%；Monsanto公

7、司科研人员利用经过基因改善的细菌吸收玉米糖分,然后分泌出制造聚酯纤维所需的原料, 由此生产的聚酯纤维质量好,污染少,生产成本低；还有以葡萄糖为主要原料, 通过DNA重组改进的生物催化反应可合成所需要的化学品，如维生素C、已二糖、邻苯二酚等。3微波技术 微波技术在无机合成中的应用在无机合成中, 微波技术主要用于烧结合成和水热合成。微波烧结主要用于合成陶瓷,包括陶瓷氧化物、金属硼化物、氮化物、金属碳化物、压电陶瓷等,具有加热均匀,升温速度快、可调控等优点。微波水热合成可用于制备金属氧化粉体、氮化物粉体、沸石分子筛等功能材料。 微波技术在有机合成中的应用微波应用于有机合成, 由于能大大加快化学反应速

8、率,缩短反应时间,特别是以无机固体物为载体的无溶剂的微波有机合成反应,操作简便,溶剂用量少,产物易于分离纯化,产率高,因此微波有机合成成了合成化学工作者研究的热点。4超声技术超声技术在工业上的应用很早就被人们所认识,它在化学上的广泛应用和深入研究是在20世纪70 年代发展以后才得以实现。特别是近10年来的一系列研究成果, 促进了声学和化学的交叉渗透, 导致了新兴交叉学科声化学的诞生。由于声化学反应能够改变反应的进程, 提高反应的选择性, 增强化学反应的速率和产率, 降低能耗和减少废物的排放，因此声化学技术作为一种安全无害的“绿色技术”,在合成化学中具有广泛的应用。5膜技术膜技术通常包括膜分离技

9、术和膜催化技术。膜分离技术具有成本低、能耗少、效率高、无污染，并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, 节约资源,减少污染。因此, 膜技术是绿色化学的重要实用技术。膜技术正广泛地应用于石油、化工、 环保、能源、电子、轻工、食品、医药和生物工程等行业中,必将成为当代最有发展前景的高新技术产业之一。 膜分离技术无机分离膜是由无机材料如金属、金属氧化物、陶瓷、微孔玻璃、沸石、无机高分子材料等制成的膜,它是近10 年来发展起来的新型分离膜。有机高分子分离膜是以纤维素类、聚酰亚胺类、聚砜类、聚烃类、硅橡胶类、含氟高分子、聚电解质等合成或半合成有机高分子材

10、料制成的分离膜,是目前工业上应用最多,技术较为成熟的一类分离膜。 膜催化技术膜催化技术是近年来多相催化领域中出现的一种新技术。该技术是将催化材料制成膜反应器或将催化剂置于膜反应器中操作，反应物可选择性地穿透膜并发生反应,产物可选择性穿过膜而离开反应区域,有效地调节某一反应物或产物在反应器中的区域浓度,打破化学反应在热力学上的平衡状态,实现反应的高选择性，提高原料的利用率。二、绿色化学所引起的产业革命1绿色石油化学工业现代工业的快速发展, 石油化工产品需求的大幅度增长，石油化工原料结构的变化,保护生态环境的严峻挑战, 使得21世纪的石油化工技术将突破第一代石化技术的原料、工艺和设备等限制。应用绿

11、色化学的原理, 以逐步实现石油化工的绿色化, 这是可持续发展的必然。例如, 用沸石催化剂替代三氯化铝，生产乙苯、异丙苯；用离子交换树脂催化剂替代硫酸，生产仲丁醇；不用光气生产聚碳酸酯( PC)、甲苯二异氰酸酯( TDI)和二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)；乙烯催化氧化，制备乙酸；乙烷直接氧化，生成乙醇；在硅铝磷酸盐分子筛催化作用下,甲烷两步转化生成乙烯等。这些被称为“第二代石化技术”,将在21 世纪的绿色石油化工中发挥重要作用。随着化石燃料的日渐枯竭,以生物质为原料通过生物工程技术转化为石油化工产品, 越来越受到人们的关注和青睐。例如, 已二酸是制造尼龙- 66 纤维、聚氨基甲酸酯弹性纤维、增塑

12、剂等的重要中间体,全世界已二酸的年生产能力约230万吨。目前工业上生产已二酸的方法是以石油提取的苯为原料,经镍催化加氢生产环已酮和环已醇, 然后利用HNO3进一步氧化为已二酸。该法的主要问题是原料本属致癌物,以HNO3作为氧化剂,腐蚀严重，加之高温高压操作,能耗高。美国Michigan State大学J.W.Frost和K.M.Draths开发出以纤维素和淀粉水解制得的葡萄糖为原料, 经DNA 重组技术改进的微生物催化作用,将葡萄糖转化为已二烯二酸,再在温和条件催化加氢合成已二酸。该法原料易得, 安全可靠,反应条件温和, 是绿色化学的典范。Frost和Draths因此获得1998年美国“总统绿

13、色化学挑战奖”的学术奖。2绿色制药化学工业化学制药工业的特点是品种多,更新快, 反应步骤多,原辅材料用量大,总产率比较低,“三废”排放量大, 成分复杂, 容易造成环境污染。因此,化学制药工业的绿色化,不仅具有重要的经济效益, 而且具有深远的社会和环境效益。例如,布洛芬是一消炎镇痛药物,新工艺是采用乙酰化、加氢和羰基化三步骤, 原子经济性达77. 44% ,废物排放量减少37%。3绿色能源工业能源是人类社会生存和发展的重要物质基础。目前,人类所用的能源主要是石油、天然气和煤。20世纪以来, 人类对矿物能源的消耗一直成指数增长,导致矿物能源的储量日趋枯竭,而且这些矿物能源的生产和消费带来了大气污染

14、、酸雨、温室效应和臭氧层破坏等环境问题。因此,开发新能源、发展绿色能源工业一直是世界各国政府和科技界极为关注的重要问题。利用太阳能、风能、氢能、生物质能、水能等清洁能源,既可减少消耗矿物能源,又可减少环境的污染。4绿色新材料 可降解材料可降解材料包括生物降解型高分子材料、光降解型高分子材料,如聚羟基丁酸酯(PHB)、壳聚糖及其衍生物、聚乳酸(PLA)、聚酸酐、聚对二氧六环酮等,其中相当一部分可作生物医学材料。 智能材料智能材料是新型功能材料重要的方向, 支撑着高新技术的发展。当它受到外界条件温度、压力、声音等变化时, 其性能和状态随之改变。智能材料系统和结构及传感、控制和驱动等功能于一体, 能

15、在高水平上实现自检测、自诊断、自监控、自修复及自适应。三、绿色化学是我国化学工业可持续发展的必由之路.我国在可持续发展战略的指引下,清洁生产、环境保护受到各级政府部门的高度重视。1994年,国务院常委会通过了中国21 世纪议程,并把它作为中国21世纪人口、环境与发展的白皮书,在其第三部分“经济可持续发展”中明确提出：改善工业结构与布局,推广清洁生产工艺和技术。同年, 原化工部召开了第八次全国化工环保工作会议, 发出了“全面推行清洁生产,实现化学工业可持续发展”的号召,明确提出实施化工清洁生产是化工系统的重要任务, 强调依靠科技进步, 加强“三废”治理，使化学工业资源节约与废物综合利用不断发展。

16、然而,由于人口基数大,工业化进程加快,大量排放的工业污染物和生活废弃物增多，使我国人民正面临日益严重的资源短缺和生态环境的危机。总之，由于传统的以大量消耗资源、粗放型经营为特征的传统发展模式,加之产业结构不尽合理,科学技术和管理水平较为落后,使得我国的生态环境和资源受到严重污染和破坏。因此, 大力发展绿色化工，走资源环境经济社会协调发展的道路是我国化学工业乃至整个工业现代化发展的必由之路。四、小结在传统化学面临资源匮乏、能源耗竭、污染环境、生态失衡的严峻形势下, 依靠科技进步,发展以源头预防为主、节约能源的绿色化学是人类可持续发展的必由之路,也是中国化学工业的必然选择。绿色化学是以可持续发展为

17、理念的新科学和新技术,是对传统化学思维的创新和发展,是21世纪的中心科学,我们应结合我国国情特点，提高科技水平，大力开发研究绿色化学技术, 以促进我国绿色化学及其产业的发展。参考文献1. 张礼和. 化学学科进展 .M. 北京: 化学工业出版社, 20052. 沈玉龙,曹文华. 绿色化学 .M. 北京: 中国环境科学出版社, 20093. 杨家玲. 绿色化学与技术 .M. 北京: 北京邮电大学出版社, 20014. 贡长生. 绿色化学我国化学工业可持续发展的必由之路 .J. 现代化工 .2002:22(1):8-145. 胡亚东,朱道本. 化学通报 .J. 2005:2(7):106. Cintas P, Luche J L. Green Chemistry .J. 1999:1(3):1157. Anastas P T, Warner J C. Green Chemistry : Theory and Practice .M. London: Oxford Science Publications, 2000问题：1.绿色化学的核心是什么？ 2.文中从哪些方面分别阐述了绿色化学化工技术和绿色化学所引起的产业革命？