綠色化工工藝課件

1、綠色化工工藝實例1.綠色無機(jī)化工工藝 無機(jī)化工產(chǎn)品的原料主要來源于礦產(chǎn)資源，而各種礦產(chǎn)品的有用元素含量又很低，通常要采取煅燒、焙燒、燒結(jié)及熔融等處理再經(jīng)過轉(zhuǎn)化，方可獲得相應(yīng)的無機(jī)化工產(chǎn)品。 傳統(tǒng)無機(jī)化工產(chǎn)品生產(chǎn)工藝比較落后，原材料能源等消耗比較大，生產(chǎn)勞動條件差，對環(huán)境污染嚴(yán)重，這些已經(jīng)成為制約無機(jī)化學(xué)工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。因此必須改革傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝 ，解決生產(chǎn)過程排放的廢棄物，并設(shè)法將之變成有用的化學(xué)產(chǎn)品，已達(dá)到資源和能源的充分利用、產(chǎn)品對環(huán)境友好、生產(chǎn)工藝清潔的目的。1.1先驅(qū)物法 先通過準(zhǔn)確的分子設(shè)計合成出具有預(yù)期組分、結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)的先驅(qū)物，再在軟環(huán)境下對先驅(qū)物進(jìn)行處理，進(jìn)而得到

2、預(yù)期的材料。其關(guān)鍵在于先驅(qū)物的分子設(shè)計與制備。人們選擇一種化合物如硝酸鹽、碳酸鹽、草酸鹽、氫氧化物、含氰配合物以及有機(jī)化合物如檸檬酸等和所需的金屬陽離子制成先驅(qū)物，在這些先驅(qū)物中，反應(yīng)物以所需要的化學(xué)計量存在著，這種克服了制陶法中反應(yīng)物間均勻混合問題，達(dá)到了原子或分子尺度的混合。1.2水熱法 水熱法是利用高溫高壓的水溶液使那些在大氣條件下不溶或難溶的的物質(zhì)溶解，或反應(yīng)生成該物質(zhì)的溶解產(chǎn)物，通過控制高壓釜內(nèi)溶液的溫差使產(chǎn)生對流以形成過飽和狀態(tài)而析出生長晶體的方法。 自然界熱液成礦就是在一定的溫度和壓力下，成礦熱液中成礦物質(zhì)從溶液中析出的過程。水熱法合成寶石就是模擬自然界熱液成礦過程中晶體的生長。

3、 高壓釜為可承高溫高壓的鋼制釜體。水熱法采用的高壓釜一般可承受11000C的溫度和109Pa的壓力，具有可靠的密封系統(tǒng)和防爆裝置。因為具潛在的爆炸危險，故又名“炸彈”（bomb）。高壓釜的直徑與高度比有一定的要求，對內(nèi)徑為100-120mm的高壓釜來說，內(nèi)徑與高度比以1：16為宜。高度太小或太大都不便控制溫度的分布。由于內(nèi)部要裝酸、堿性的強(qiáng)腐蝕性溶液，當(dāng)溫度和壓力較高時，在高壓釜內(nèi)要裝有耐腐蝕的貴金屬內(nèi)襯，如鉑金或黃金內(nèi)襯，以防礦化劑與釜體材料發(fā)生反應(yīng)。也可利用在晶體生長過程中釜壁上自然形成的保護(hù)層來防止進(jìn)一步的腐蝕和污染。如合成水晶時，由于溶液中的SiO2與Na2O和釜體中的鐵能反應(yīng)生成一種

4、在該體系內(nèi)穩(wěn)定的化合物，即硅酸鐵鈉（錐輝石NaFeSi2O6acmite）附著于容器內(nèi)壁，從而起到保護(hù)層的作用。礦化劑指的是水熱法生長晶體時采用的溶劑。 水熱法合成寶石采用的主要裝置為高壓釜，在高壓釜內(nèi)懸掛種晶，并充填礦化劑。 水熱法生產(chǎn)的特點是粒子純度高、分散性好、晶形好且可控制,生產(chǎn)成本低。用水熱法制備的粉體一般無需燒結(jié),這就可以避免在燒結(jié)過程中晶粒會長大而且雜質(zhì)容易混入等缺點。影響水熱合成的因素有:溫度的高低、升溫速度、攪拌速度以及反應(yīng)時間等。 1.3溶膠-凝膠法 制造固體催化劑的方法之一，即以凝膠方式從溶液中沉淀出來的方法。從溶液中析出凝膠沉淀，需要經(jīng)過由分子或離子在溶劑中凝聚成溶膠，

5、以及溶膠中的膠體粒子凝結(jié)成凝膠這兩個過程。 凝膠是一種體積寵大，疏松，含水很多的非晶型沉淀。不同的制備和后處理條件，可使產(chǎn)品在孔結(jié)構(gòu)，比表面等物理結(jié)構(gòu)在很大范圍內(nèi)變化?；钚匝趸X和硅膠等是用凝膠法生產(chǎn)出來的。 溶膠一凝膠(Sol-Ge1)技術(shù)是指金屬有機(jī)或無機(jī)化合物經(jīng)過溶膠一凝膠化和熱處理形成氧化物或其他固體化合物的方法。其過程：用液體化學(xué)試劑(或粉狀試劑溶于溶劑)或溶膠為原料，而不是用傳統(tǒng)的粉狀物為反應(yīng)物，在液相中均勻混合并進(jìn)行反應(yīng)，生成穩(wěn)定且無沉淀的溶膠體系，放置一定時間后轉(zhuǎn)變?yōu)槟z，經(jīng)脫水處理，在溶膠或凝膠狀態(tài)下成型為制品，再在略低于傳統(tǒng)的溫度下燒結(jié)。1.4低熱固相化學(xué) 一個室溫固固反應(yīng)

6、的實例：固體4甲基苯胺與固體CoCl26H2O按2：1摩爾比在室溫(20)下混合，一旦接觸，界面即刻變藍(lán)，稍加研磨反應(yīng)完全該反應(yīng)甚至在0同樣瞬間變色。但在CoCl2的水溶液中加入4甲基苯胺(摩爾比同上)，無論是加熱煮沸還是研磨、攪拌都不能使白色的4甲基苯胺表面變藍(lán)，即使在飽和的CoCl2水溶液中也是如此。這表明雖然使用同樣的起始反應(yīng)物、同樣的摩爾比，由于反應(yīng)微環(huán)境的不同使固、液反應(yīng)有明顯的差別。應(yīng)用 由于溶膠一凝膠技術(shù)在控制產(chǎn)品的成分及均勻性方面具有獨特的優(yōu)越性，近年來已用該技術(shù)制成LiTaO2、LiNbO2、PbTiO3、Pb(ZrTi)03BaTiO3等各種電子陶瓷材料。特別是制備出形狀各

7、異的超導(dǎo)薄膜、高溫超導(dǎo)纖維等。低熱固相反應(yīng)在合成化學(xué)中的應(yīng)用 低熱固相反應(yīng)由于其獨有的特點，在合成化學(xué)中已經(jīng)得到許多成功的應(yīng)用，獲得了許多新化合物，有的已經(jīng)或即將步入工業(yè)化的行列，顯示出它應(yīng)有的生機(jī)和活力。隨著人們的不斷深入研究，低熱固相反應(yīng)作為合成化學(xué)領(lǐng)域中的重要分支之一，成為綠色生產(chǎn)的首選方法已是人們的共識相企盼。2.綠色制藥工藝 特征是藥品生產(chǎn)路線與一般的傳統(tǒng)生產(chǎn)路線不同，把治理污染作為設(shè)計、篩選藥品生產(chǎn)工藝的首要條件，研究和發(fā)展無害化清潔生產(chǎn)工藝，推行清潔生產(chǎn)工藝，即以低消耗（物耗和水、電、氣的消耗及工耗）、無污染（至少低污染）、資源再生、廢物綜合利用、分離降解等方式實現(xiàn)制藥工業(yè)的生態(tài)

8、循環(huán)和環(huán)境友善的清潔生產(chǎn)的綠色結(jié)果。應(yīng)用計算機(jī)輔助的綠色化學(xué)設(shè)計在設(shè)計新的綠色化學(xué)反應(yīng)時，既要考慮產(chǎn)品性能好，又要價格低廉，還要產(chǎn)生最少的廢物和副產(chǎn)品，而且要求對環(huán)境無害，其難 度之大是可想而知的。因此化學(xué)家們在設(shè)計綠色化學(xué)反應(yīng)時，要用開闊的思路去考慮組合化學(xué)合成新分子，提供藥物或其他功能分子(如催化劑)的先導(dǎo)化合物是合成化學(xué)的一項重要任務(wù)。而藥物及催化劑的開發(fā)涉及大量化合物的合成與篩選，任務(wù)繁重，采用傳統(tǒng)的合成手段費時費力。 而組合化學(xué)則提供了一種達(dá)到分子多樣性的捷徑。這方面的發(fā)展非常迅猛，現(xiàn)已從合成肽庫發(fā)展到合成有機(jī)小分子庫，并已篩選出許多藥物的先導(dǎo)化合物，成為一個活躍的學(xué)科前沿改變原料進(jìn)

9、行綠色化生產(chǎn)，包含兩個方面的內(nèi)容：一為原料本身不是綠色原料，但改變原料后，副產(chǎn)物大大減少，原子經(jīng)濟(jì)性提高；二為采用綠色原料，原有的工藝將產(chǎn)生變化，如21世紀(jì)用綠色原料碳酸二甲酯（DMC)代替有毒的硫酸二甲酯(DMS)作烷基化試劑，碳酸二甲酯是一種重要的綠色化工產(chǎn)品，把溫室效應(yīng)的氣體作為有效碳源用來合成有機(jī)化學(xué)品符合公眾對于環(huán)境保護(hù)的愿望。因此，以CO2和甲醇為原料直接合成DMC就更具重要的理論和現(xiàn)實意義。環(huán)境友好介質(zhì)中的合成在傳統(tǒng)的有機(jī)反應(yīng)中，有機(jī)溶劑是最常用的反應(yīng)介質(zhì)，這主要是因為它們能很好地溶解有機(jī)化合物。但有機(jī)溶劑的毒性和難以回收性質(zhì)又使之成為對環(huán)境有害的因素。因此，在無溶劑存在下進(jìn)行的

10、有機(jī)反應(yīng)，用水作反應(yīng)介質(zhì)以及用超臨界流體作反應(yīng)介質(zhì)或萃取溶劑將成為發(fā)展?jié)崈艉铣晒に嚨闹匾緩健４呋瘜W(xué)催化過程是實現(xiàn)高原子經(jīng)濟(jì)反應(yīng)的重要途徑。應(yīng)用催化方法還可以實現(xiàn)常法不能進(jìn)行的反應(yīng)，從而縮短合成步驟。催化化學(xué)使人類能夠在現(xiàn)有的技術(shù)和設(shè)備條件下，應(yīng)用少量適當(dāng)?shù)拇呋瘎?，便可順利地、有選擇地、高效率地合成所需要的化學(xué)物質(zhì)，且合成過程副反應(yīng)少，沒有或很少產(chǎn)生“三廢”。3.綠色能源化工技術(shù)3.1潔凈煤技術(shù)3.2生物質(zhì)能1.潔凈煤技術(shù) 潔凈煤技術(shù)是指從煤炭開發(fā)到利用的全過程中旨在減少污染排放與提高利用效率的加工、燃燒、轉(zhuǎn)化及污染控制等新技術(shù)。潔凈煤技術(shù)（CCT）一詞源于美國,旨在減少污染和提高效益的煤炭

11、加工、燃燒、轉(zhuǎn)換和污染控制等新技術(shù)的總稱。 傳統(tǒng)意義上的潔凈煤技術(shù)主要是指煤炭的凈化技術(shù)及一些加工轉(zhuǎn)換技術(shù)，即煤炭的洗選、配煤、型煤以及粉煤灰的綜合利用技術(shù)，國外煤炭的洗選及配煤技術(shù)相當(dāng)成熟，已被廣泛采用；目前意義上潔凈煤技術(shù)是指高技術(shù)含量的潔凈煤技術(shù)，發(fā)展的主要方向是煤炭的氣化、液化、煤炭高效燃燒與發(fā)電技術(shù)等等。它是旨在減少污染和提高效率的煤炭加工、燃燒、轉(zhuǎn)換和污染控制新技術(shù)的總稱，是當(dāng)前世界各國解決環(huán)境問題的主導(dǎo)技術(shù)之一，也是高新技術(shù)國際競爭的一個重要領(lǐng)域。根據(jù)我國國情，潔凈技術(shù)包括：選煤，型煤，水煤漿，超臨界火力發(fā)電，先進(jìn)的燃燒器，流化床燃燒，煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，煙道氣凈化，煤炭氣化，煤

12、炭液化，燃料電池。直接燒煤潔凈技術(shù) 這是在直接燒煤的情況下，需要采用的技術(shù)措施：燃燒前的凈化加工技術(shù)，主要是洗選、型煤加工和水煤漿技術(shù)。原煤洗選采用篩分、物理選煤、化學(xué)選煤和細(xì)菌脫硫方法，可以除去或減少灰分、矸古、硫等雜質(zhì)；型煤加工是把散煤加工成型煤，由于成型時加入石灰固硫劑，可減少二氧化硫排放，減少煙塵，還可節(jié)煤；水煤漿是先用優(yōu)質(zhì)低灰原煤制成，可以代替石油。燃燒中的凈化燃燒技術(shù)，主要是流化床燃燒技術(shù)和先進(jìn)燃燒器技術(shù)。流化床又叫沸騰床，有泡床和循環(huán)床兩種，由于燃燒溫度低可減少氮氧化物排放量，煤中添加石灰可減少二氧化硫排放量，爐渣可以綜合利用，能燒劣質(zhì)煤，這些都是它的優(yōu)點；先進(jìn)燃燒器技術(shù)是指改進(jìn)

13、鍋爐、窯爐結(jié)構(gòu)與燃燒技術(shù)，減少二氧化硫和氮氧化物的排放技術(shù)。燃燒后的凈化處理技術(shù)，主要是消煙除塵和脫硫脫氮技術(shù)。消煙除塵技術(shù)很多，靜電除塵器效率最高，可達(dá)以上，電廠一般都采用。脫硫有干法和濕法兩種，干法是用漿狀石灰噴霧與煙氣中二氧化硫反應(yīng)，生成干燥顆粒硫酸鈣，用集塵器收集；濕法是用石灰水淋洗煙塵，生成漿狀亞硫酸排放。它們脫硫效率可達(dá)。開發(fā)應(yīng)用 為了減少直接燒煤產(chǎn)生的環(huán)境污染，世界各國都十分重視潔凈煤技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。經(jīng)過20 多年的發(fā)展國外的煤炭氣化、液化以及發(fā)電技術(shù)已經(jīng)日趨成熟。通過實施潔凈煤技術(shù),煤礦企業(yè)在經(jīng)濟(jì)上增加盈利,環(huán)境由此得到改善,使經(jīng)濟(jì)增長和保護(hù)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。我國是燒煤大國，以上

14、的能源依靠煤炭，大力發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù)有更重要意義。 2.生物質(zhì)能 生物質(zhì)能（biomass energy ），就是太陽能以化學(xué)能形式貯存在生物質(zhì)中的能量形式，即以生物質(zhì)為載體的能量。它直接或間接地來源于綠色植物的光合作用，可轉(zhuǎn)化為常規(guī)的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料，取之不盡、用之不竭，是一種可再生能源，同時也是唯一一種可再生的碳源。 生物質(zhì)是指利用大氣、水、土地等通過光合作用而產(chǎn)生的各種有機(jī)體，即一切有生命的可以生長的有機(jī)物質(zhì)通稱為生物質(zhì)。它包括植物、動物和微生物。廣義概念：生物質(zhì)包括所有的植物、微生物以及以植物、微生物為食物的動物及其生產(chǎn)的廢棄物。有代表性的生物質(zhì)如農(nóng)作物、農(nóng)作物廢棄物、木材、木材廢棄物和動