第十二讲生态化工技术论文资料.pptx

可持续发展的化学工业 绿色化工 一、化工在国民经济和社会发展中的地位与作用二、化学工业可持续发展的道路绿色化工三、关于绿色化工的基本思考2一、化工在国民经济和社会发展中的地位与作用一、化工在国民经济和社会发展中的地位与作用3主要的化工领域：主要的化工领域：q 能源加工能源加工（燃料）（燃料）q 材料制备材料制备（高分子材料、（高分子材料、金属材料、无机非金属材料金属材料、无机非金属材料）q 精细化学品制备精细化学品制备（染料、颜料、溶剂、日用化学品等）（染料、颜料、溶剂、日用化学品等）q 药物制备药物制备（治疗药、营养药、饲料添加剂、农药、化肥等）（治疗药、营养药、饲料添加剂、农药、化肥等）q 食品加工（酿造、制糖等）食品加工（酿造、制糖等）q 轻加工（造纸、制革等）轻加工（造纸、制革等）q 环境治理环境治理一、化工在国民经济和社会发展中的地位与作用一、化工在国民经济和社会发展中的地位与作用q化工与农牧业化工与农牧业（农用化学品、农膜、（农用化学品、农膜、）q化工与人类生命化工与人类生命（医药、保健药、理疗、（医药、保健药、理疗、）q化工与人类生活化工与人类生活（建材、交通、包装、日用化学品）（建材、交通、包装、日用化学品）q化化工工与与国国防防（装装备备材材料料、化化学学武武器器、推推进进剂剂、微微化化工过程）工过程）q化工与能源化工与能源q化化工工与与信信息息技技术术（微微电电子子工工业业中中的的超超纯纯气气体体、纯纯水水、试剂、光刻胶、液晶、腐蚀剂、掺杂剂、粘合剂等）试剂、光刻胶、液晶、腐蚀剂、掺杂剂、粘合剂等）4一、化工在国民经济和社会发展中的地位与作用一、化工在国民经济和社会发展中的地位与作用化学工业化学工业一种以一种以资源与能源加工、物质资源与能源加工、物质转化、原材料制备转化、原材料制备为任务的为任务的过程工业过程工业。化学工业始终在国民经济和社会发展中占主化学工业始终在国民经济和社会发展中占主导地位，是导地位，是2020世纪最辉煌和最有成就感的工世纪最辉煌和最有成就感的工业之一。业之一。5一、化工在国民经济和社会发展中的地位与作用一、化工在国民经济和社会发展中的地位与作用制造业：食品加工业纺织、服装、毛皮业木材加工及家具制造业造纸、印刷业文教、体育用品制造业6n石油加工及炼焦业石油加工及炼焦业n化学原料及化学制品制造业化学原料及化学制品制造业n医药制造业医药制造业n塑料制造业塑料制造业n橡胶制造业橡胶制造业n化学纤维制造业化学纤维制造业n非金属矿物制品制造业非金属矿物制品制造业n黑色金属冶炼及压延加工业一、化工在国民经济和社会发展中的地位与作用一、化工在国民经济和社会发展中的地位与作用有色金属冶炼及压延加工业金属制品业专用设备制造业交通运输设备制造业武器弹药制造业电气机械及器材制造业电子通讯设备制造业仪器仪表（自动化设备）制造业7一、化工在国民经济和社会发展中的地位与作用最大的资源转化与产品制造业最大的资源转化与产品制造业最大的国内生产总值与财政收入行业（最大的国内生产总值与财政收入行业（2001年年GNP达达到到1.3万亿元）万亿元）产业的先驱、生产力发展的原动力产业的先驱、生产力发展的原动力国民经济的支柱（美国、德国等发达国家中，化工产国民经济的支柱（美国、德国等发达国家中，化工产业均列国民经济各产业之首）业均列国民经济各产业之首）高技术产业的支撑高技术产业的支撑82004年度年度财富财富世界世界500强强 排名排名公司公司主营业务主营业务营业收入营业收入1沃尔码沃尔码零售零售 263,009.02英国石油英国石油炼油、化工炼油、化工 232,571.03埃克森美孚埃克森美孚炼油、化工炼油、化工 122,883.04壳牌石油壳牌石油炼油、化工炼油、化工 201,728.05通用汽车通用汽车汽车汽车 195,324.016日本电报电话日本电报电话电信电信 98,229.119国际商用机器国际商用机器计算机计算机 89,131.046中国国家电网中国国家电网电力电力 58,348.052中国石油天然气中国石油天然气炼油、化工炼油、化工 56,384.054中国石化中国石化炼油、化工炼油、化工 55,062.0130微软微软软件软件 32,187.0单位：百万美圆单位：百万美圆二、化学工业可持续发展的道路二、化学工业可持续发展的道路绿色化工绿色化工q国国民民经经济济的的各各部部门门以以及及人人类类生生活活本本身身或或多多或或少少地地造造成成了了环环境境污污染染和和生生态态恶恶化化。污污染染治治理理也也是是化工能作出重要贡献的领域。化工能作出重要贡献的领域。q但但是是应应当当承承认认，当当前前的的化化工工生生产产（资资源源的的加加工工与与利利用用）仍仍然然是是环环境境污污染染和和生生态态恶恶化化的的主主要要根根源之一源之一。10二、化学工业可持续发展的道路二、化学工业可持续发展的道路绿色化工绿色化工环境保护与治理的三个时期环境保护与治理的三个时期q稀稀释释排排放放 对对毒毒性性的的时时间间性性、生生物物聚聚集集作作用用和和生生态态变化尚无认识变化尚无认识q末端治理排放末端治理排放 “三废三废”处理技术的兴起处理技术的兴起q绿绿色色化化工工（生生态态化化工工）从从源源头头消消除除环环境境污污染染（重重新设计化学合成路线、制造方法和化工产品）新设计化学合成路线、制造方法和化工产品）11二、化学工业可持续发展的道路二、化学工业可持续发展的道路绿色化工绿色化工“末端治理末端治理”存在的问题存在的问题部门分割部门分割维持古老落后的技术在市场中的地位维持古老落后的技术在市场中的地位成本越来越高成本越来越高经济效益的虚增经济效益的虚增有损发展中国家利益有损发展中国家利益12二、化学工业可持续发展的道路二、化学工业可持续发展的道路绿色化工绿色化工 工业生态学工业生态学观点：观点：工工业业体体系系可可以以成成为为生生态态体体系系的的一一种种特特殊殊情情况况，可可以以像像生生态态系系统统那那样样的的方方式式进进行行物物质质、能能量量和和信信息息的的流流动和储存。动和储存。目标：目标：找找到到一一条条能能使使工工业业体体系系与与生生物物生生态态系系统统的的正正常常运运行相互匹配行相互匹配的途径。的途径。13二、化学工业可持续发展的道路二、化学工业可持续发展的道路生态化工生态化工建立工业生态系统（生态结构重组）的基本思路建立工业生态系统（生态结构重组）的基本思路q废料资源化（二次资源化工）废料资源化（二次资源化工）q封闭物质循环系统和减少消耗性排放封闭物质循环系统和减少消耗性排放q产品与经济活动的非物质化产品与经济活动的非物质化q能能源源脱脱碳碳（以以石石油油替替代代煤煤炭炭、以以天天然然气气替替代代石石油油，以以碳碳水化合物代替碳氢化合物，更多地采用氢能、太阳能）水化合物代替碳氢化合物，更多地采用氢能、太阳能）14三、关于绿色（生态）化工的基本思考三、关于绿色（生态）化工的基本思考资资源源利利用用的的生生态态化化：产产品品源源于于那那些些可可以以再再生生的资源，甚至源于废弃物资源。的资源，甚至源于废弃物资源。资资源源加加工工的的生生态态化化：生生产产工工艺艺是是环环境境友友好好的的，低污染甚至是无污染的。低污染甚至是无污染的。资资源源产产品品的的生生态态化化：产产品品在在使使用用过过程程中中不不会会产生生态污染。产生生态污染。153.1 资源利用的生态化资源利用的生态化化石矿物资源的两大问题：化石矿物资源的两大问题：它们的它们的生长周期非常漫长生长周期非常漫长（以亿万年计，实际上是（以亿万年计，实际上是不可再生的），地球上的储量有限，终究会有枯竭不可再生的），地球上的储量有限，终究会有枯竭的一天。的一天。目前的目前的环境危机直接或间接的与化石矿物资源的加环境危机直接或间接的与化石矿物资源的加工和使用有关工和使用有关（如产生（如产生CO2、SOx、NOx等，形成等，形成局部的环境污染、产生酸雨及温室气体）。局部的环境污染、产生酸雨及温室气体）。163.1 资源利用的生态化资源利用的生态化 生物质资源化生物质资源化 来源于来源于CO2（光合作用），燃烧后产生（光合作用），燃烧后产生CO2，但不会增加大气中，但不会增加大气中CO2的含量，因此比矿的含量，因此比矿物燃料更清洁。物燃料更清洁。以约以约1640亿吨亿吨/年的速度不断再生，如以能年的速度不断再生，如以能量换算，相当于石油年开採量的量换算，相当于石油年开採量的1520倍，犹如倍，犹如一个取之不竭、用之不尽的资源宝库。一个取之不竭、用之不尽的资源宝库。173.1 资源利用的生态化资源利用的生态化 生物质资源的利用生物质资源的利用需要将组成生物质的淀粉、纤维素、需要将组成生物质的淀粉、纤维素、半纤维素、木质素等大分子物质半纤维素、木质素等大分子物质转化转化为葡萄糖等低分子物为葡萄糖等低分子物质质，以便作为燃料和有机化工原料使用。，以便作为燃料和有机化工原料使用。目前已研究的方法包括物理法、化学法和生物转化法。目前已研究的方法包括物理法、化学法和生物转化法。但物理和化学方法一般能耗高、产率低，且过程污染较严但物理和化学方法一般能耗高、产率低，且过程污染较严重，因此往往作为重，因此往往作为生物转化法生物转化法的辅助手段。的辅助手段。183.1 资源利用的生态化资源利用的生态化生物质资源制取燃料生物质资源制取燃料 1.由生物质由生物质制酒精制酒精：大规模地用于机动车燃料还必须：大规模地用于机动车燃料还必须降低成本（降低成本（1.利用基因工程改进酵母的性能，以提高过利用基因工程改进酵母的性能，以提高过程效率；程效率；2.采用更为廉价的纤维素原料）。采用更为廉价的纤维素原料）。2.由生物质由生物质制天然气制天然气（沼气）（沼气）10万头牛粪万头牛粪 5万万M3沼气沼气 3万户家庭燃烧使用万户家庭燃烧使用 3.生物生物制氢制氢：以制糖废液、纤维素废液和污泥废液为原：以制糖废液、纤维素废液和污泥废液为原料，采用微生物培养方法制取氢气。关键是提高氢化酶的料，采用微生物培养方法制取氢气。关键是提高氢化酶的稳定性。稳定性。193.1 资源利用的生态化资源利用的生态化采用生物质生产有机化学品采用生物质生产有机化学品 1.以谷物制造的葡萄糖为原料，以谷物制造的葡萄糖为原料，采用生物技术合成采用生物技术合成1,3丙二醇丙二醇（PDO），以生产新型聚酯（），以生产新型聚酯（PTT)。2.以淀粉和纤维素制取的葡萄糖为原料，利用经以淀粉和纤维素制取的葡萄糖为原料，利用经DNA重组技术改进的细菌，将葡萄糖转化为已二烯二酸，然后重组技术改进的细菌，将葡萄糖转化为已二烯二酸，然后在催化剂的作用下加氢在催化剂的作用下加氢制备己二酸制备己二酸，以制造尼龙纤维、润，以制造尼龙纤维、润滑剂、增塑剂等。滑剂、增塑剂等。3.以农业废物（秸杆）为原料，应用生物技术以农业废物（秸杆）为原料，应用生物技术合成乳酸合成乳酸，进而聚合成可生物降解的聚合物，以替代聚烯烃和进而聚合成可生物降解的聚合物，以替代聚烯烃和PS。203.1 资源利用的生态化资源利用的生态化 石油时代石油时代 可再生生物质资源利用时代？可再生生物质资源利用时代？1.酶的研究开发：采用基因工程、细胞工程、酶工程技酶的研究开发：采用基因工程、细胞工程、酶工程技术的最新成果，制造出高度稳定性和容忍性的微生物，并术的最新成果，制造出高度稳定性和容忍性的微生物，并研究从中提取出所需要的酶的简便方法。研究从中提取出所需要的酶的简便方法。2.木质素的利用。木质素的利用。3.酶和产物从反应液中的分离。酶和产物从反应液中的分离。4.形成平台化学品形成平台化学品（Platform Chemicals）。213.1 资源利用的生态化资源利用的生态化 从从淀淀粉粉或或纤纤维维素素水水解解得得到到的的葡葡萄萄糖糖主主要要用用作作发发酵酵工工业业的的原原料料。近近年年来来的的研研究究表表明明，从从葡葡萄萄糖糖脱脱水水和和脱脱甲甲酸酸后后得得到到的的另另一一个个化化合合物物乙乙酰酰丙丙酸酸（Levulinic Acid,LA），将将有有可可能成为一种新的平台化合物。能成为一种新的平台化合物。223.1 资源利用的生态化资源利用的生态化q具具有有不不对对称称碳碳原原子子，可可以以进进行行手手性性合合成成或或拆拆分分，获获得得手手性性化合物。化合物。q是是一一个个具具有有生生物物活活性性的的分分子子（例例如如，在在绿绿色色植植物物或或光光合合细细菌菌中中，LALA是是氨氨基基乙乙酰酰丙丙酸酸的的合合成成前前体体及及5-5-氨氨基基-4-4-酮酮基基戊戊酸酸脱脱氢氢酶酶的的抑抑制制剂剂，在在血血色色素素生生物物合合成成及及光光合合作作用用调调节节中中起十分重要的功能）。起十分重要的功能）。q能能够够进进行行酯酯化化、氧氧化化还还原原、取取代代等等各各种种反反应应，可可合合成成许许多多有用的化合物和新型高分子材料。有用的化合物和新型高分子材料。233.1 资源利用的生态化资源利用的生态化243.1 资源利用的生态化资源利用的生态化q选选择择性性还还原原和和脱脱水水过过程程能能够够容容易易地地转转化化为为4-4-羟羟基基戊戊酸酸和和-戊戊内内酯酯，最最高高转转化化率率可可达达到到99%99%。253.1 资源利用的生态化资源利用的生态化 二氧化碳资源二氧化碳资源 采采用用电电化化学学固固定定法法、等等离离子子体体固固定定法法及及微微生生物物固固定定法法等等非非常常规规方方法法，以以此此开开发发出出一一系系列列含含氧氧有有机机化化学学产产品品和和功功能能高高分分子子材料。材料。263.1 资源利用的生态化资源利用的生态化 废旧聚合物资源化废旧聚合物资源化 裂裂解解制制燃燃料料是是处处理理聚聚合合物物废废弃弃物物的的重重要要手手段，也是段，也是碳元素进一步利用碳元素进一步利用的重要手段。的重要手段。石油、天然气 燃料石油、天然气 聚合物 燃料273.2 资源加工的生态化资源加工的生态化原子经济性（元素节约化学）原子经济性（元素节约化学）无害溶剂无害溶剂超临界二氧化碳、近临界水、离子液超临界二氧化碳、近临界水、离子液非光气和非氢氰酸的反应路线非光气和非氢氰酸的反应路线固体酸催化反应固体酸催化反应封闭物质循环系统和减少消耗性排放封闭物质循环系统和减少消耗性排放283.2 资源加工的生态化资源加工的生态化原子经济性与元素节约化学原子经济性与元素节约化学 以以起起始始原原料料计计，反反应应物物中中的的原原子子很很难难全全部部进进入入到到最最终终产产品品中中，有有时时大大部部分分的的原原子子重重新新组组合合生生成成了了废废物物而而被被白白白白地浪费掉，甚至排放掉污染了环境。地浪费掉，甚至排放掉污染了环境。化工化工 零排放与减量排放零排放与减量排放 化学化学 原子经济性、元素节约化学原子经济性、元素节约化学293.2 资源加工的生态化资源加工的生态化 原子经济性与产率或收率的区别：原子经济性与产率或收率的区别：30理想的原子经济反应（一）理想的原子经济反应（一）重排反应：重排反应：A B理想的原子经济反应（二）理想的原子经济反应（二）加成反应：加成反应：A+B C 取代反应、消除反应的原子经济性较低。取代反应、消除反应的原子经济性较低。3.2 资源加工的生态化资源加工的生态化31提高原子经济性的途径：提高原子经济性的途径：n 通过新催化剂的开发形成新工艺通过新催化剂的开发形成新工艺n 改变反应途径、简化合成步骤改变反应途径、简化合成步骤n 采用新合成原料采用新合成原料n 形成联产技术形成联产技术 氯甲烷 草甘膦 有机硅 氯化氢3.2 资源加工的生态化资源加工的生态化 联产技术联产技术 生态产业链技术生态产业链技术 联联产产和和生生态态产产业业链链技技术术虽虽有有许许多多优优点点，但但当当其其中中某某个个产产品品不不畅畅销销，造造成成积积压压时时，势势必必会会引引起起另另一一个个产产品品的的生生产产和和销销售售。因因此此联联产产技技术术必必须须要有一定的市场适应性。要有一定的市场适应性。产业链的多目标（经济、环境、市场）优化产业链的多目标（经济、环境、市场）优化323.2 资源加工的生态化资源加工的生态化无害溶剂无害溶剂超临界二氧化碳、近临界水、离子液超临界二氧化碳、近临界水、离子液超超临临界界二二氧氧化化碳碳、近近临临界界水水、离离子子液液替替代代有有机机溶溶剂剂进进行行催化反应催化反应超临界萃取超临界萃取超超临临界界二二氧氧化化碳碳发发泡泡聚聚苯苯乙乙烯烯（19961996年年美美国国“总总统统绿绿色色化学挑战奖化学挑战奖”）超超临临界界二二氧氧化化碳碳-表表面面活活性性剂剂金金属属清清洗洗体体系系（19971997年年美美国国“总统绿色化学挑战奖总统绿色化学挑战奖”）333.2 资源加工的生态化资源加工的生态化本体（气相）聚合反应本体（气相）聚合反应烯烃气相本体聚合烯烃气相本体聚合共轭烯烃的气相本体聚合共轭烯烃的气相本体聚合聚合物的反应挤出聚合物的反应挤出343.2 资源加工的生态化资源加工的生态化非光气和非氢氰酸的反应路线：非光气和非氢氰酸的反应路线：碳酸二甲酯等替代光气制备异氰酸酯碳酸二甲酯等替代光气制备异氰酸酯碳酸二甲酯替代光气制备聚碳酸酯碳酸二甲酯替代光气制备聚碳酸酯双双三三氯氯甲甲基基碳碳酸酸酯酯(BTC)替替代代光光气气进进行行光光气气化化反应反应353.2 资源加工的生态化资源加工的生态化碳酸二甲酯替代硫酸二甲酯制备甲基化试剂碳酸二甲酯替代硫酸二甲酯制备甲基化试剂二步氧化法替代氢氰酸路线合成甲基丙烯酸甲酯二步氧化法替代氢氰酸路线合成甲基丙烯酸甲酯替代氢氰酸路线合成己二酸和己二胺替代氢氰酸路线合成己二酸和己二胺二二乙乙醇醇胺胺路路线线替替代代氢氢氰氰酸酸路路线线合合成成氨氨基基酸酸及及其其盐盐（19961996年美国年美国“总统绿色化学挑战奖）总统绿色化学挑战奖）苄氯羰化路线替代氢氰酸路线合成苯乙酸苄氯羰化路线替代氢氰酸路线合成苯乙酸363.2 资源加工的生态化资源加工的生态化 各各种种催催化化剂剂中中，酸酸性性催催化化剂剂占占3/4左左右右。固固体体酸酸替替代代液液体酸体酸意义重大。意义重大。实例：实例：分子筛替代三氯化铝催化剂合成乙苯和异丙苯分子筛替代三氯化铝催化剂合成乙苯和异丙苯固体酸替代氢氟酸合成线性烷基苯固体酸替代氢氟酸合成线性烷基苯固体酸替代硫酸、氢氟酸合成烷基化油固体酸替代硫酸、氢氟酸合成烷基化油难点：无论分子筛还是固体超强酸都很容易失活。难点：无论分子筛还是固体超强酸都很容易失活。373.2 资源加工的生态化资源加工的生态化封闭物质循环系统和减少消耗性排放封闭物质循环系统和减少消耗性排放38硅粉硅粉氯甲烷氯甲烷直接合成法直接合成法二甲二甲 目目标标产产物物一甲一甲三甲三甲一甲含氢一甲含氢高沸物高沸物低沸物低沸物 57%2%515%1%1%副产物副产物3.2 资源加工的生态化资源加工的生态化综合利用的技术路线：综合利用的技术路线：393.2 资源加工的生态化资源加工的生态化 碳元素的工业循环代谢碳元素的工业循环代谢 氯元素的工业循环代谢氯元素的工业循环代谢 氟元素的工业循环代谢氟元素的工业循环代谢 硫元素的工业循环代谢硫元素的工业循环代谢40 氟氟元元素素是是一一个个重重要要的的工工业业元元素素。含含氟氟矿矿物物是是冶冶金金、建建材材等等行行业业的的重重要要原原料料；氟氟化化工工产产品品更更是是应应用用于于国国民民经经济济各各个个领领域域，尤尤其其在在原原子子能能、航航天天航航空空、兵兵器器制制造造等等国国防防工工业业领领域域有有着着不不可可取取代代的的地位。地位。氟资源（不可再生、战备物资）氟资源（不可再生、战备物资）氟污染氟污染41氟元素的工业循环代谢氟元素的工业循环代谢 氟制冷剂 有机气体释放（ODS物质温室效应）50%灭火剂 有机氟工业 3040%氟树脂 固体废弃物 1020%氟化工 HF 氟精细化学品 不可回收有机物 30%无机氟盐 建材、表面处理 含氟矿物（萤石、冰晶石）炼钢、电解铝、玻璃、陶瓷、水泥、磷肥42氟元素流向树氟元素流向树含氟废水含氟废气含氟废渣 氟氟树树脂脂制制品品（含含氟氟聚聚合合物物）废废料料的的循循环环利利用用（含含氟涂料、裂解）氟涂料、裂解）含含氟氟废废水水的的循循环环使使用用（电电渗渗析析、离离子子交交换换等等方方法法生成无机氟盐、生成生成无机氟盐、生成HFHF）43氟元素工业循环代谢的研究内容氟元素工业循环代谢的研究内容3.3 资源产品的生态化资源产品的生态化生态化工产品生态化工产品的特征：的特征：产品本身不会引起环境污染或健康问题产品本身不会引起环境污染或健康问题产产品品被被使使用用后后应应能能再再循循环环或或易易于于在在环环境境中中降降解为无害物质解为无害物质 传传统统的的化化工工产产品品设设计计注注重重了了功功能能设设计计，而而生态化工产品的设计应生态化工产品的设计应功能与环境影响功能与环境影响并重。并重。443.3 资源产品的生态化较典型的生态较典型的生态化工产品化工产品：粉末涂料粉末涂料水性涂料水性涂料水性聚氨酯水性聚氨酯水性油墨水性油墨聚乳酸聚乳酸氟氯烃替代品氟氯烃替代品45 再见！46