生命元素与绿色化学化学元素与人体健康.pptx

生命元素与绿色化学生命元素与绿色化学 杨桂琴1 1 生命元素、有益元素、沾染元素、有毒元素生命元素、有益元素、沾染元素、有毒元素 科学工作者通过研究环境元素和生命元素的关系，科学工作者通过研究环境元素和生命元素的关系，了解到生物体在适应生存和进化中，逐渐形成一套摄了解到生物体在适应生存和进化中，逐渐形成一套摄入、排泄和适应这些元素的保护机制。入、排泄和适应这些元素的保护机制。元素是如何被选择的，这是一个有趣而尚未完全解元素是如何被选择的，这是一个有趣而尚未完全解决的问题，但在生物演化过程中，总结了一些元素被决的问题，但在生物演化过程中，总结了一些元素被生物选择的规则，了解其中的两点：生物选择的规则，了解其中的两点：（1 1）丰度规则）丰度规则 当生物的功能可以从几种可用当生物的功能可以从几种可用元素中选择其一去实现时，生物选择了在自然界存在元素中选择其一去实现时，生物选择了在自然界存在较丰富的那种元素。较丰富的那种元素。（2）有效规则）有效规则生物要选择更加有效的化合物加生物要选择更加有效的化合物加以利用。以利用。生命元素生命元素 研究表明，存在于生命体内的元素可分为四种类型：研究表明，存在于生命体内的元素可分为四种类型：(1)(1)生命元素生命元素：按其含量的不同，又分为：按其含量的不同，又分为常量元常量元 素素和和微量元素微量元素；(2)(2)有益元素有益元素(可能为潜在的生命元素可能为潜在的生命元素)；(3)(3)沾污元素沾污元素；(4)(4)有毒元素有毒元素。生命元素：生命元素：是指在生物体中能维持其正常生命活动是指在生物体中能维持其正常生命活动功能所不可缺少的元素。功能所不可缺少的元素。人体内大约含有人体内大约含有2727种生命元素。其中常量元素为：种生命元素。其中常量元素为：O O、C C、H H、N N、CaCa、P P、K K、S S、ClCl、NaNa、MgMg等，约占人体重等，约占人体重的的99.95%99.95%，微量元素仅占人体重的，微量元素仅占人体重的0.05%0.05%，它们是：，它们是：FeFe、F F、ZnZn、SiSi、BrBr、SnSn、CuCu、V V、I I、MnMn、CrCr、SeSe、MoMo、Ni Ni、CoCo，但其作用不小，此外还有，但其作用不小，此外还有B B。在生命元素中在生命元素中13种非金属元素（种非金属元素（H、C、N、O、P、S、F、Cl、Br、I、Si、Se、B），除），除H外集中在外集中在p区右上区右上角，角，14种生物金属在周期表中有两个主要密集区：一是种生物金属在周期表中有两个主要密集区：一是A、A族的四金属族的四金属“岛岛”（K、Na、Ca、Mg），它），它们是常量元素；二是第一过渡系，它们是微量元素，是们是常量元素；二是第一过渡系，它们是微量元素，是生物体中金属蛋白和金属酶的重要结构成分。生物体中金属蛋白和金属酶的重要结构成分。有益元素：有益元素：是指人体中假若缺少这些元素是指人体中假若缺少这些元素(如如LiLi、CeCe、AlAl、AsAs、RbRb、TiTi、SrSr、B B和稀土元素和稀土元素)虽然可以维虽然可以维持生命，但不能认为是健康的。持生命，但不能认为是健康的。沾污元素沾污元素：有：有20203030种普遍存在于各组织中的元种普遍存在于各组织中的元素，它们的浓度是变化的，而它们的生物效应还没有素，它们的浓度是变化的，而它们的生物效应还没有被完全确定，它们也可能来自环境的沾污，因此称沾被完全确定，它们也可能来自环境的沾污，因此称沾污元素。污元素。有毒元素有毒元素（污染元素）：当对沾污元素觉察出有（污染元素）：当对沾污元素觉察出有害的生理或行为症状时，沾污元素就成为污染元素了，害的生理或行为症状时，沾污元素就成为污染元素了，例如，血液中的铅、镉和汞虽然浓度极低，但是起着例如，血液中的铅、镉和汞虽然浓度极低，但是起着有害作用，它们是污染元素。有害作用，它们是污染元素。2 2 元素在人体中的存在形态及生物功能元素在人体中的存在形态及生物功能元素在生物体中以不同形态存在，大致可分为四元素在生物体中以不同形态存在，大致可分为四种情况种情况 。（1 1）无机物结构元素）无机物结构元素CaCa、F F、P P、SiSi和少量的和少量的MgMg，以难溶无机化合物形态存在于硬组织中，如以难溶无机化合物形态存在于硬组织中，如SiOSiO2 2、CaCOCaCO3 3、CaCa1010(PO(PO4 4)6 6(OH)(OH)2 2等。作为结构材料，等。作为结构材料，CaCa、P P构成构成骨骼、牙齿。骨骼、牙齿。（2 2）有电化学功能和信息传递功能的离子）有电化学功能和信息传递功能的离子Na、Mg、K、Ca、Cl等，分别以游离水合阳离子和阴离子形等，分别以游离水合阳离子和阴离子形式存在于细胞内、外液中，两者之间维持一定浓度梯式存在于细胞内、外液中，两者之间维持一定浓度梯度，度，Ca2+与氨基酸中的羧酸结合起到传递某种生物信与氨基酸中的羧酸结合起到传递某种生物信息的作用；存在于体液中的息的作用；存在于体液中的Na+、K+、Cl-等起到维持等起到维持体液中水、电解质平衡和酸、碱平衡的作用。体液中水、电解质平衡和酸、碱平衡的作用。（3 3）生物大分子：）生物大分子：C C、H H、O O、N N、S S构成生物大构成生物大分子，这里系指蛋白质、肽、核酸及类似物等，需要分子，这里系指蛋白质、肽、核酸及类似物等，需要金属元素金属元素(例如，例如，MoMo、MnMn、FeFe、CuCu、CoCo、NiNi、ZnZn等等)结结合的大分子，包括具有催化性能和贮存、转换功能的合的大分子，包括具有催化性能和贮存、转换功能的各种酶。各种酶。（4 4）小分子：属于这一类的元素，一般有）小分子：属于这一类的元素，一般有F F、ClCl、BrBr、I I、CuCu和和FeFe，存在于抗生素中；，存在于抗生素中；CoCo、CuCu、FeFe、MgMg、V V和和NiNi等存在于卟啉配合物中，如含有等存在于卟啉配合物中，如含有FeFe2+2+的血红的血红蛋白负责运载蛋白负责运载O O2 2的作用；的作用；AsAs、CaCa、SeSe、SiSi和和V V等存在于等存在于其它小分子中。其它小分子中。总之，生命必需元素在生物体内的化学形态十分总之，生命必需元素在生物体内的化学形态十分复杂，还有待进一步研究。复杂，还有待进一步研究。特别是微量元素，虽然其总含量仅占特别是微量元素，虽然其总含量仅占0.05%，但它，但它在不同体内部位的状态与人体健康关系密切，有些疾在不同体内部位的状态与人体健康关系密切，有些疾病的发生和微量元素的平衡失调有关。病的发生和微量元素的平衡失调有关。3 3 污染元素对人体健康的危害污染元素对人体健康的危害目前在人体组织中发现的元素数目已多达目前在人体组织中发现的元素数目已多达7070余余种，仅在血液中就含有种，仅在血液中就含有3030多种元素。除了上述生命多种元素。除了上述生命元素外，其余元素是随着自然资源的开发利用和工元素外，其余元素是随着自然资源的开发利用和工业发展而进入环境，它们通过大气、水源和食物等业发展而进入环境，它们通过大气、水源和食物等途径而侵入机体，有些成为人体中的污染元素。主途径而侵入机体，有些成为人体中的污染元素。主要污染元素对机体的危害见表。要污染元素对机体的危害见表。元元素素危害危害最小致死量最小致死量/10/10-4-4%BeBe致癌致癌4 4CrCr损害肺，可能致癌损害肺，可能致癌400400NiNi肺癌，鼻窦癌肺癌，鼻窦癌180180ZnZn胃癌胃癌 5757AsAs损害肝、肾及神经，致癌损害肝、肾及神经，致癌4040SeSe慢性关节炎，浮肿等慢性关节炎，浮肿等3.53.5Y Y致癌致癌-CdCd气肿，肾炎，骨痛病，高血压，致癌气肿，肾炎，骨痛病，高血压，致癌O.3O.30.60.6HgHg脑炎，损害中枢神经及肾脏脑炎，损害中枢神经及肾脏1616PbPb贫血，损害肾赃及神经贫血，损害肾赃及神经5050污染元素对人体的危害污染元素对人体的危害4 4 生命必需元素的补充和有毒元素的促排生命必需元素的补充和有毒元素的促排 为了弥补生命元素的缺乏，必须自机体外及时予以补为了弥补生命元素的缺乏，必须自机体外及时予以补充供应。充供应。例如，克山病（因缺硒造成），以心肌坏死为主要症例如，克山病（因缺硒造成），以心肌坏死为主要症状。现在大都采用投硒的方法以提高体内的硒含量，普状。现在大都采用投硒的方法以提高体内的硒含量，普遍为口服亚硒酸钠或硒盐。遍为口服亚硒酸钠或硒盐。又如，地方性甲状腺肿大和地方性克汀病（环境缺又如，地方性甲状腺肿大和地方性克汀病（环境缺碘造成）两种地方病的预防都是用投碘控制，目前我国碘造成）两种地方病的预防都是用投碘控制，目前我国广泛推广加碘食盐。碘盐是将碘化钾或碘酸盐加入食盐，广泛推广加碘食盐。碘盐是将碘化钾或碘酸盐加入食盐，世界卫生组织推荐的标准是世界卫生组织推荐的标准是1:1000001:100000。而对体内有害金属离子，目前清除办法，是选择合而对体内有害金属离子，目前清除办法，是选择合适的螯合剂与其结合成稳定的配合物而排除体外。这种适的螯合剂与其结合成稳定的配合物而排除体外。这种方法称为螯合疗法方法称为螯合疗法(或配体疗法或配体疗法)。所用的螯合剂称为促。所用的螯合剂称为促排剂排剂(或解毒剂或解毒剂)。绿色化学绿色化学(GreenChemistry)又称又称:环境无害化学环境无害化学(EnvironmentallyBenignChemistry)环境友好化学环境友好化学(EnvironmentallyFriendlyChemistry)清洁化学清洁化学(CleanChemistry)绿绿色色化化学学0绿色化学概述绿色化学概述1.绿色化学研究的主要内容绿色化学研究的主要内容2组合化学与分子设计组合化学与分子设计绿绿色色化化学学0绿色化学概述绿色化学概述0-1绿色化学的基本含义绿色化学的基本含义0-2绿色化学提出的背景绿色化学提出的背景目目 录录绿色化学绿色化学其目标是既从根本上保护环其目标是既从根本上保护环境，又能推进工业生产的发展。境，又能推进工业生产的发展。与传统化学和化工污染后治理的与传统化学和化工污染后治理的模式不同，绿色化学的宗旨是从模式不同，绿色化学的宗旨是从流程的始端就对污染进行控制和流程的始端就对污染进行控制和治理，对可持续发展和人类生活治理，对可持续发展和人类生活的改善具有重要意义。的改善具有重要意义。目目 录录20世纪化学工业的贡献世纪化学工业的贡献领域领域年代年代主要成就主要成就作用作用生物生物医药医药1928年年发现第一个抗生素：发现第一个抗生素：盘尼西林盘尼西林减轻疼痛减轻疼痛预防疾病预防疾病保健益寿保健益寿1953年年发现发现DNA双螺旋结构双螺旋结构化工化工化肥化肥农药农药1913年年合成氨化肥的生产合成氨化肥的生产减轻人口减轻人口增长、对增长、对食品需求食品需求的压力的压力1941年年主要杀虫剂主要杀虫剂DDT进入进入市场增产粮食、蔬菜市场增产粮食、蔬菜石油石油工业工业下一页下一页20世纪化学工业的贡献世纪化学工业的贡献领领域域年代年代主要成就主要成就作用作用石石油油工工业业1921年年天然气、氢烃蒸气裂天然气、氢烃蒸气裂解制造乙烯解制造乙烯奠定石油工业奠定石油工业发展基础发展基础1930年年开始生产聚氯乙烯开始生产聚氯乙烯成功开发石化成功开发石化产品：合成纤产品：合成纤维、橡胶、塑维、橡胶、塑料、洗涤剂、料、洗涤剂、涂料、粘合剂涂料、粘合剂家电部件、家电部件、遍及衣食住行遍及衣食住行1938年年生产出化纤尼龙生产出化纤尼龙193945年年开始生产顺丁橡胶开始生产顺丁橡胶化学工业的主要污染物化学工业的主要污染物废气废气污染物污染物主要来源主要来源硫氧化物硫氧化物氮氧化物氮氧化物硫酸厂、硝酸厂、染料厂、石硫酸厂、硝酸厂、染料厂、石化厂、化纤厂化厂、化纤厂卤化物卤化物氯碱厂氯碱厂、制冷剂厂制冷剂厂、有机合成厂有机合成厂有机类废气有机类废气 石化厂、有机合成厂石化厂、有机合成厂固体悬浮物固体悬浮物 发电厂、焦化厂发电厂、焦化厂硫化氢硫化氢硫醇硫醇石化厂、煤气厂、染料厂石化厂、煤气厂、染料厂化学工业的主要污染物化学工业的主要污染物废液废液污污染染物物主主要要来来源源酸、碱类酸、碱类 硫酸厂硫酸厂、硝酸厂硝酸厂、磷肥厂磷肥厂、纯碱厂纯碱厂、石化厂石化厂氨氨氮氮煤气厂、氮肥厂、化工厂煤气厂、氮肥厂、化工厂重金属重金属电镀厂、冶炼厂等电镀厂、冶炼厂等有机物有机物农药厂、染料厂、食品加工厂农药厂、染料厂、食品加工厂油油类类石油炼制厂、石化厂石油炼制厂、石化厂氰化物氰化物煤气厂、有机合成厂、石化厂、煤气厂、有机合成厂、石化厂、酚、醛、酚、醛、有机氯等有机氯等煤气厂煤气厂、石化厂石化厂、炼油厂炼油厂、农药厂农药厂、氯碱厂氯碱厂硫化物硫化物石化厂石化厂、氯碱厂氯碱厂、染料厂染料厂、煤气厂煤气厂、染料厂染料厂化学工业的主要污染物化学工业的主要污染物废渣废渣污污染染物物主主要要来来源源硫铁矿渣硫铁矿渣硫酸厂硫酸厂电石渣、盐泥电石渣、盐泥化工厂化工厂、氯碱厂氯碱厂磷石膏磷石膏磷肥厂磷肥厂碱碱渣渣炼油厂炼油厂煤渣煤渣小氮肥厂、合成氨厂小氮肥厂、合成氨厂铬渣铬渣含铬产品厂含铬产品厂硼镁渣硼镁渣硼砂厂硼砂厂提取化工产品后的矿物提取化工产品后的矿物各类化工厂各类化工厂化工生产与环境问题化工生产与环境问题全球十大环境问题：全球十大环境问题：大气污染、大气污染、臭氧层破坏、臭氧层破坏、全球变暖、全球变暖、海洋污染、海洋污染、淡水资源紧张和污染、淡水资源紧张和污染、土地退化和沙漠化、土地退化和沙漠化、森林锐减、森林锐减、生物多样性减少、生物多样性减少、环境公害、环境公害、有害化学品和危险废物有害化学品和危险废物”。相关图片相关图片化工生产与环境问题化工生产与环境问题全球十大环境问题：全球十大环境问题：其中七个问题与化学物质污染有关，其中七个问题与化学物质污染有关，另外三个问题与化学污染有间接关系。另外三个问题与化学污染有间接关系。对环境的污染，化学品及其生产过程对环境的污染，化学品及其生产过程的问题是比较严重的。的问题是比较严重的。20世纪化学工业带来的污染世纪化学工业带来的污染(世界八大公害事件世界八大公害事件)事件事件污染污染物物发生时发生时间、地点间、地点致害原因致害原因中毒症状中毒症状公害公害成因成因马斯河马斯河谷烟雾谷烟雾二氧二氧化硫化硫烟尘烟尘1930年年12月月比利时马斯河比利时马斯河谷谷SO2SO3肺部、咳嗽肺部、咳嗽1.工工厂多厂多工业工业污染污染物积物积聚聚2.遇遇雾天雾天多诺拉多诺拉烟雾烟雾1948年年10月月美国多诺拉美国多诺拉SO2+烟尘烟尘硫酸硫酸肺部、肺部、咳嗽、胸闷、咳嗽、胸闷、喉痛、呕吐喉痛、呕吐伦敦烟伦敦烟雾雾1952年年12月月英国伦敦英国伦敦世界八大公害事件世界八大公害事件事件事件污染污染物物发生时发生时间、地点间、地点致害原因致害原因中毒症状中毒症状公害公害成因成因洛杉矶洛杉矶光化学光化学烟雾烟雾光化光化学烟学烟雾雾1943.5-12月月美国洛杉矶美国洛杉矶石油工业石油工业、汽汽车尾气车尾气/紫外紫外线作用线作用、眼病眼病喉头炎喉头炎氮氧氮氧、碳碳氢化物氢化物大气大气水俣水俣事件事件甲基甲基汞汞1943年年日本九州日本九州鱼吃甲基汞、鱼吃甲基汞、人吃鱼人吃鱼失常失常氮肥生产氮肥生产催化剂催化剂四日四日事件事件哮喘病哮喘病SO2煤尘煤尘1955年年3月月日本四日市日本四日市重金属微粒重金属微粒SO2肺部肺部,支支气管哮喘气管哮喘Co/Mn/Ti粉尘粉尘SO2世界八大公害事件世界八大公害事件事件事件污染污染物物发生时发生时间、地点间、地点致害原因致害原因中毒症状中毒症状公害公害成因成因米糠油米糠油事件事件多氯多氯联苯联苯1968年日本年日本九州艾知县九州艾知县等等23个府县个府县食用含多氯联食用含多氯联苯的米糠油、苯的米糠油、全身起红疙瘩、全身起红疙瘩、呕吐、恶心、呕吐、恶心、肌肉通肌肉通生产中生产中多氯联多氯联苯进入苯进入米糠油米糠油富山富山骨痛病骨痛病镉镉1972年年3月月日本富山日本富山关节、神经、关节、神经、全身骨痛、骨全身骨痛、骨骼萎缩、食含骼萎缩、食含镉的米、水镉的米、水炼锌厂炼锌厂含镉废含镉废水水其它化学污染其它化学污染事件事件发生时间、地点发生时间、地点致害原因及严重后果致害原因及严重后果河面着火河面着火1970年年美国俄亥俄州美国俄亥俄州Cuyahoga河河严重化学污染引起河面严重化学污染引起河面着火着火化学中毒化学中毒1984年印度年印度Bhopal化工厂化工厂甲基异氰酸大量泄漏致甲基异氰酸大量泄漏致死约死约4000人，伤者无数。人，伤者无数。皮癌增多皮癌增多1980年以后探明年以后探明氟氯烃对大气臭氧层破氟氯烃对大气臭氧层破坏，紫外光透过大气层坏，紫外光透过大气层问题的提出问题的提出事件提高了人类对化学品对生态环事件提高了人类对化学品对生态环境、人身健康、社区安全影响的普遍关注。境、人身健康、社区安全影响的普遍关注。美国政府提出的有关规定：美国政府提出的有关规定：19001960年年制定了制定了16项环保法规项环保法规19601995年间年间制定了制定了100项环保法律。项环保法律。问题的提出问题的提出经过几十年的努力，这些污染的控经过几十年的努力，这些污染的控制、治理和研究已取得了巨大的成绩，制、治理和研究已取得了巨大的成绩，发明了处理废弃物的方法，治理了危险发明了处理废弃物的方法，治理了危险的污染点，减少了废弃物的排放。的污染点，减少了废弃物的排放。问题的提出问题的提出但各国生产使用的化学产品产量巨但各国生产使用的化学产品产量巨大，如美国每年约排放大，如美国每年约排放3109t，化学废，化学废弃物进入环境，用于控制治理或掩埋废弃物进入环境，用于控制治理或掩埋废弃物的花费巨大。美国化学工业每年要弃物的花费巨大。美国化学工业每年要花花1500亿美元去控制、处理或掩埋这些亿美元去控制、处理或掩埋这些废弃物。废弃物。问题的提出问题的提出我国我国政府和地方政府投入了政府和地方政府投入了3500亿人亿人民币用于治理环境污染，民币用于治理环境污染，“十五十五”期间期间将投入将投入7000亿元人民币治理环境污染，亿元人民币治理环境污染，给国家、企业、消费者带来了沉重的负给国家、企业、消费者带来了沉重的负袒，而且这些环境治理并没有从根本上袒，而且这些环境治理并没有从根本上预防和解决环境问题。预防和解决环境问题。经济发展中粗放型经济增长模式的实践经济发展中粗放型经济增长模式的实践体现在企业生产中表现为高投入、体现在企业生产中表现为高投入、高消耗、低产出、低效益和高污染高消耗、低产出、低效益和高污染有关统计资料显示：有关统计资料显示：指指标标我我国国状状况况人均资源拥有量人均资源拥有量我国我国1/2世界平均水平世界平均水平资源消耗资源消耗、能耗指标能耗指标 我国大大高于国际平均水平我国大大高于国际平均水平1单位国民生产总值单位国民生产总值消耗的矿物资源消耗的矿物资源我国我国=(24)发达国家发达国家2能源消耗能源消耗我国我国=(34)发达国家发达国家绿色化学的一种说法绿色化学的一种说法 绿色化学又称为环境无害化学绿色化学又称为环境无害化学(EnvironmentalBenignChemistry)，是利，是利用化学来防止污染的一门科学。其研究目用化学来防止污染的一门科学。其研究目的是：通过利用一系列的原理与方法来降的是：通过利用一系列的原理与方法来降低或除去化学产品设计、制造与应用中有低或除去化学产品设计、制造与应用中有害物质的使用与产生，使化学产品或过程害物质的使用与产生，使化学产品或过程的设计更加环保化。绿色化学包括所有可的设计更加环保化。绿色化学包括所有可以降低对人类健康与环境产生负面影响的以降低对人类健康与环境产生负面影响的化学方法和技术，在此基础上产生的环境化学方法和技术，在此基础上产生的环境无害化工过程，被称为绿色化工无害化工过程，被称为绿色化工(GreenChemicalEngineering)。绿色化学与化工绿色化学与化工中的提法中的提法绿绿色色化化学学以以“原原子子经经济济反反应应”为为中中心心。“原原子子经经济济反反应应”是是原原料料中中的的每每一一个个原原子子进进入入产产品品，从从而而实实现现废废物物的的零零排排放放”，同同时时还还包包括括可可再再生生资资源源利利用用。使使用用无无毒毒无无害害原原料料，无无毒毒无无害害催催化化剂剂和和溶溶剂剂；还还要要求求生生产产环环境境友友好好产产品品，达达到到使使用用后后回回归归自自然然或或者者重重复复利利用用的的目目的的；绿绿色化学的内容可简要归纳如下图所示：色化学的内容可简要归纳如下图所示：绿色化学的内容简要示意绿色化学的内容简要示意绿色化学与化工绿色化学与化工闵恩泽闵恩泽吴巍等著吴巍等著原子经济反应原子经济反应高选择性反应高选择性反应环境友好产品环境友好产品产品重复利用产品重复利用无毒无害原料无毒无害原料可再生资源可再生资源无毒无害无毒无害催化剂催化剂无毒无害无毒无害溶剂溶剂原子经济性原子经济性(AtomEconomy)的概念的概念绿绿色色化化学学以以“原原子子经经济济反反应应”为为中中心心。“原原子子经经济济反反应应”是是原原料料中中的的每每一一个个原原子子进进入入产产品品，从从而而实实现现废废物物的的零零排排放放”，同同时时还还包包括括可可再再生生资资源源利利用用。使使用用无无毒毒无无害害原原料料，无无毒毒无无害害催催化化剂剂和和溶溶剂剂；还还要要求求生生产产环环境境友友好好产产品品，达达到到使使用用后后回回归归自自然然或或者者重重复复利利用用的的目目的的；绿绿色化学的内容可简要归纳如下图所示：色化学的内容可简要归纳如下图所示：原子经济性原子经济性(AtomEconomy)的概念的概念原子经济性的概念是原子经济性的概念是1991年美国著名年美国著名有机化学家有机化学家Trost出的，他以原子利用率衡出的，他以原子利用率衡量反应的原子经济性：量反应的原子经济性：原子利用率原子利用率=100%被利用原子的质量被利用原子的质量反应物质的原子量总和反应物质的原子量总和原子水平上看化学反应原子水平上看化学反应:只有实现原料分子中的原子百分之百地只有实现原料分子中的原子百分之百地转变成产物，才能实现废物转变成产物，才能实现废物“零排放零排放(Zeroemission)原子经济性原子经济性(AtomEconomy)的概念的概念化工生产上常用的产率或收率：化工生产上常用的产率或收率：产率产率=100%目的产品质量目的产品质量理论上原料变为目的产品质量理论上原料变为目的产品质量传统宏观量上看化学反应传统宏观量上看化学反应原子经济性原子经济性(AtomEconomy)的概念的概念原子利用率越高，反应产生的废弃物原子利用率越高，反应产生的废弃物越少，对环境造成的污染也越少。越少，对环境造成的污染也越少。在一般的有机合成反应中：在一般的有机合成反应中：A+B=C+D主产物副产物主产物副产物反应产生的副产物反应产生的副产物D往往是废物，因往往是废物，因此可成为环境的污染源。此可成为环境的污染源。原子经济性原子经济性(AtomEconomy)的概念的概念 绿色合成应该是原子经济性的，即原绿色合成应该是原子经济性的，即原料的原子料的原子100%转化成产物，不产生废弃物。转化成产物，不产生废弃物。应使用产率和原子经济性两个概念，应使用产率和原子经济性两个概念，作为评估一个化学工艺过程的标准，才能作为评估一个化学工艺过程的标准，才能实现更实现更“绿色化绿色化”、更有效的化学合成反、更有效的化学合成反应。应。原子经济性原子经济性(AtomEconomy)的概念的概念 针对目前条件尚不可能将所有反应的针对目前条件尚不可能将所有反应的原子经济性都提高到原子经济性都提高到100%的现状：的现状：可从两方面努力，实现原子经济性可从两方面努力，实现原子经济性不断寻找新的反应途径来提高合成反应不断寻找新的反应途径来提高合成反应过程的原子利用率过程的原子利用率或对传统的化学反应过程不断提高反应或对传统的化学反应过程不断提高反应的选择性的选择性不断实现化学合成过程的绿色化：不断实现化学合成过程的绿色化：新合成原料新合成原料新催化材料新催化材料新合成加工途径新合成加工途径新反应器设计新反应器设计学科交叉结合学科交叉结合由知识创新由知识创新技术创新技术创新化学工程化学工程目前绿色化学研究的主要方面目前绿色化学研究的主要方面原料的绿色化原料的绿色化催化剂的绿色化催化剂的绿色化溶剂的绿色化溶剂的绿色化产品的绿色化产品的绿色化反应过程的绿色化反应过程的绿色化提出提出“绿色化学绿色化学”的意义的意义由于环境监控、治理及社区安全、由于环境监控、治理及社区安全、人身健康保险等费用的增加，绿色化学人身健康保险等费用的增加，绿色化学当前不仅仅是为了环保，也是降低成本、当前不仅仅是为了环保，也是降低成本、充分利用资源的需要充分利用资源的需要。目目 录录绿绿色色化化学学1绿色化学研究的主要内容绿色化学研究的主要内容1-1产品的绿色化产品的绿色化1-2原料的绿色化原料的绿色化1-3溶剂的绿色化溶剂的绿色化1-4催化剂的绿色化催化剂的绿色化1-5工艺的绿色化工艺的绿色化目目 录录绿色化学的十二条原则绿色化学的十二条原则(1)废物产生最小化废物产生最小化(零排放零排放,Zeroemissio)(2)原子经济原子经济(Atomeconomy)反应最大化反应最大化(3)有毒、有害物质用量最小化；有毒、有害物质用量最小化；(4)有效产品有效产品/毒性物质比率最大化；毒性物质比率最大化；(5)溶剂和其他助剂辅料用量最小化；溶剂和其他助剂辅料用量最小化；(6)可再生、回收资源的利用最大化；可再生、回收资源的利用最大化；绿色化学的十二条原则绿色化学的十二条原则(7)低能耗低能耗(8)尽力避免毒、副反应的产生；尽力避免毒、副反应的产生；(9)选用理想的催化剂；选用理想的催化剂；(10)产物对环境无害；产物对环境无害；(11)有害物质生产中预防性检控措施；有害物质生产中预防性检控措施；(12)选用具有最小危害性的原料和中间体。选用具有最小危害性的原料和中间体。与化学工业技术进步的结合：与化学工业技术进步的结合：化工绿色化和设备小型化、过程集成化化工绿色化和设备小型化、过程集成化1-1产品的绿色化产品的绿色化绿色产品又称环境友好产品，是指绿色产品又称环境友好产品，是指产品在使用过程中和使用后不会危害生产品在使用过程中和使用后不会危害生态环境和人体健康，产品具有合理的使态环境和人体健康，产品具有合理的使用功能及使用寿命，产品易于回收、利用功能及使用寿命，产品易于回收、利用和再生，报废后易于处置，在环境条用和再生，报废后易于处置，在环境条件下易于降解。件下易于降解。产品的绿色化产品的绿色化美国有近一百五十万住户为白蚁所美国有近一百五十万住户为白蚁所困扰，每年需一千五百万美元的开支用困扰，每年需一千五百万美元的开支用于对付白蚁，相应带来的环境污染问题于对付白蚁，相应带来的环境污染问题也相当严重。也相当严重。DowArgoScienceLLC公公司由于发展了高效低毒的杀虫剂而获得司由于发展了高效低毒的杀虫剂而获得1999年美国总统绿色化学挑战奖的设计年美国总统绿色化学挑战奖的设计安全化学品奖。安全化学品奖。其它产品绿色化的实例其它产品绿色化的实例 (1)以往为了防止许多海洋植物与小动物以往为了防止许多海洋植物与小动物在船体表面生长，常使用氧化三基锡在船体表面生长，常使用氧化三基锡(TBTO)作防垢剂。但作防垢剂。但TBTO不仅有毒，而不仅有毒，而且会在生物体内积累及使水生贝壳类动物且会在生物体内积累及使水生贝壳类动物的贝壳增厚。的贝壳增厚。RohmHaas，因为他们于，因为他们于1996年研年研制成功并生产了对环境安全的船舶防垢剂制成功并生产了对环境安全的船舶防垢剂SeaNine(“海洋海洋9”)无毒，且生物积无毒，且生物积累几乎为零。为此获设计更安全化学品奖。累几乎为零。为此获设计更安全化学品奖。1-1产品的绿色化产品的绿色化 (2)Donlar公司，由于其开发了两个公司，由于其开发了两个高效工艺以生产热聚天冬氨酸，这是一种高效工艺以生产热聚天冬氨酸，这是一种可代替聚丙烯酸使用的可生物降解产品，可代替聚丙烯酸使用的可生物降解产品，为此获小型企业奖。为此获小型企业奖。目目 录录产品的绿色化产品的绿色化 (3)杀虫剂杀虫剂据报道，据报道，1996年年Rohm&Haas公司开发公司开发的的CONFIRM杀虫剂在农业上能选择性的、杀虫剂在农业上能选择性的、有效的杀死毛虫而不使生态系统产生大的危有效的杀死毛虫而不使生态系统产生大的危害，如对许多益虫害，如对许多益虫(蜜蜂等蜜蜂等)无害，而且不发无害，而且不发生生物积累、不挥发、不在环境中长久残留。生生物积累、不挥发、不在环境中长久残留。产品的绿色化产品的绿色化(4)除草剂除草剂据报道，据报道，2000年南开大学元素有机研究年南开大学元素有机研究所在李正名教授领导下研制成功的新型除草剂所在李正名教授领导下研制成功的新型除草剂“单嘧璜隆单嘧璜隆”，不仅对危害作物的主要杂草如，不仅对危害作物的主要杂草如播娘蒿、马齿苋、荠菜、茅草和马唐等具有播娘蒿、马齿苋、荠菜、茅草和马唐等具有很好的防除功能，而且对温血动物几乎无毒。很好的防除功能，而且对温血动物几乎无毒。产品的绿色化产品的绿色化 (5)我国科技人员很早就开始了对光降解、生我国科技人员很早就开始了对光降解、生物降解和双降解塑料进行了广泛的研究，取得了物降解和双降解塑料进行了广泛的研究，取得了较多研究成果，光降解较多研究成果，光降解PE地膜的研制和推广应用地膜的研制和推广应用现已初具规模。现已初具规模。保护大气臭氧层的氟氯烃代用品也已在开始保护大气臭氧层的氟氯烃代用品也已在开始使用。使用。1-2原料的绿色化原料的绿色化采用无毒、无害原料；采用无毒、无害原料；用可再生资源为原料。用可再生资源为原料。目目 录录利用可再生的资源合成化学品利用可再生的资源合成化学品 利用生物质利用生物质(生物原料生物原料)(Biomass)代替当代替当前广泛使用的石油，是保护环境的一个长远前广泛使用的石油，是保护环境的一个长远的发展方向。的发展方向。TaxasA&M大学的大学的M.Holzapple教授开发了一套用石灰处理和细菌发酵等简教授开发了一套用石灰处理和细菌发酵等简单技术，把废生物质转化成动物饲料、工业单技术，把废生物质转化成动物饲料、工业化学品和燃料，是人类在这个重大问题上一化学品和燃料，是人类在这个重大问题上一个初步尝试，为此获个初步尝试，为此获1996年美国总统绿色化年美国总统绿色化学挑战奖中的学术奖。学挑战奖中的学术奖。其它利用可再生的资源合成化学品其它利用可再生的资源合成化学品 (1)生物质气化制氢气生物质气化制氢气S.Y.Lin等人用木材剂农作物残渣为等人用木材剂农作物残渣为原料，以原料，以NaOH作催化剂，用作催化剂，用Ca(OH)2作作CO2吸收剂，通过下列反应制取氢气吸收剂，通过下列反应制取氢气:C+H2OCaCO3+H2NaOHCa(OH)2CaOH2O其它利用可再生的资源合成化学品其它利用可再生的资源合成化学品 (2)用葡萄糖制己二酸用葡萄糖制己二酸己二酸的传统合成路线为：己二酸的传统合成路线为：苯苯环己烷环己烷(环己酮环己酮+环己醇环己醇)己二酸己二酸Ni-Al2O32.555.32MPaCo-O20.870.97MPaNi-Al2O32.555.32MPa其它利用可再生的资源合成化学品其它利用可再生的资源合成化学品 (2)用葡萄糖制己二酸用葡萄糖制己二酸J.W.Frost等人用葡萄糖作原料，通过等人用葡萄糖作原料，通过生物技术合成了己二酸：生物技术合成了己二酸：葡萄糖葡萄糖3-脱氢莽草酸脱氢莽草酸顺，顺顺，顺-粘糖酸粘糖酸己二酸己二酸此法不仅不需用有毒的苯，而且合成条件此法不仅不需用有毒的苯，而且合成条件也温和得多。也温和得多。大肠杆菌大肠杆菌大肠杆菌大肠杆菌大肠杆菌大肠杆菌1-3溶剂的绿色化溶剂的绿色化 化学污染不仅来源于原料和产品，化学污染不仅来源于原料和产品，而且与反应介质、分离和配方中使用的而且与反应介质、分离和配方中使用的溶剂有关，有毒挥发性溶剂替代品的研溶剂有关，有毒挥发性溶剂替代品的研究是绿色化学的重要研究方向。究是绿色化学的重要研究方向。目目 录录溶剂的绿色化溶剂的绿色化在有机化学中开发绿色溶剂，科学在有机化学中开发绿色溶剂，科学家们首先想到的是水，目前已有许多项家们首先想到的是水，目前已有许多项以水代替传统有机溶剂的研究工作在进以水代替传统有机溶剂的研究工作在进行。行。还有研究水或近临界水作为溶剂还有研究水或近临界水作为溶剂以及有机溶剂以及有机溶剂/水相界面反应。水相界面反应。溶剂的绿色化溶剂的绿色化超临界流体超临界流体(SCF)是指处于超临界温是指处于超临界温度和超临界压力下的流体，是一种介于气度和超临界压力下的流体，是一种介于气态和液态之间的状态，其密度接近液体，态和液态之间的状态，其密度接近液体，因而有常规液态溶剂的溶解度；其粘度因而有常规液态溶剂的溶解度；其粘度接近气态，因而又具有很高的传递速度。接近气态，因而又具有很高的传递速度。溶剂的绿色化溶剂的绿色化 超临界流体还具有很高的可压缩性，超临界流体还具有很高的可压缩性，其溶解度、粘度和密度等性能均可由压其溶解度、粘度和密度等性能均可由压力和温度的变化来调节。由于这些性质，力和温度的变化来调节。由于这些性质，超临界流体在提取、萃取、色谱分离和超临界流体在提取、萃取、色谱分离和作为反应溶剂等方面都表现出特有的优越作为反应溶剂等方面都表现出特有的优越性。性。其中，超临界二氧化碳流体由于价廉、其中，超临界二氧化碳流体由于价廉、无毒、不可燃等优点而应用最广。无毒、不可燃等优点而应用最广。(最活跃的研究项目之一最活跃的研究项目之一)超临界二氧化碳萃取超临界二氧化碳萃取溶剂的绿色化溶剂的绿色化(4)固态反应固态反应采用无溶剂的固相反应也是避免使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。挥发性溶剂的一个研究动向。固态反应是在无溶剂化作用的新颖化固态反应是在无溶剂化作用的新颖化学环境下进行的反应，有时可比在溶剂中学环境下进行的反应，有时可比在溶剂中反应更有效；并有更好的选择性。如用反应更有效；并有更好的选择性。如用微波来促进固、固相有机反应微波来促进固、固相有机反应某些固态反应已用于工业生产。某些固态反应已用于工业生产。1-4催化剂的绿色化催化剂的绿色化 在在各各种种催催化化剂剂中中，酸酸性性催催化化剂剂用用量量占占有有绝绝对对的的优优势势，约约为为3/4左左右右，而而其其中中液液体体酸酸占占有有相相当当大大的的比比例例，因因此此开开发发固固体体酸酸代代替替这这些些液液体体酸酸自自然然成成为为当当今今全全世世界界化化学学工业盼望的新技术之一。工业盼望的新技术之一。目目 录录无毒无害固体酸代替液体无毒无害固体酸代替液体酸的酸的成功实例成功实例异丙苯异丙苯(isopropylbenzene)：重要的基：重要的基本有机化工原料，主要用于合成苯酚本有机化工原料，主要用于合成苯酚(在农在农药、医药、炸药及合成树脂方面有广泛用药、医药、炸药及合成树脂方面有广泛用途途)。以异丙苯以异丙苯(IPB)生产过程为例，比较：生产过程为例，比较：分别用分别用AlCl3催化剂和分子筛固体酸催催化剂和分子筛固体酸催化剂的合成工艺化剂的合成工艺异丙苯生产过程比较异丙苯生产过程比较 烃化烃化反应器反应器催化剂催化剂分离器分离器水洗水洗系统系统蒸馏蒸馏系统系统中和中和系统系统产产品品废气废气苯苯丙烯丙烯AlCl3+HCl水水NaOH废酸废酸废渣废渣烃化烃化反应器反应器蒸馏蒸馏系统系统产产品品苯苯丙烯丙烯(a)AlCl3催化剂工艺催化剂工艺(b)分子筛固体催化剂工艺分子筛固体催化剂工艺分子筛改造分子