生態(tài)化工浙大學術報告課件

1、可持續(xù)發(fā)展的化學工業(yè) 綠色化工 浙江大學材料與化學工程學院李 伯 耿2022/9/251可持續(xù)發(fā)展的化學工業(yè) 綠色化工 浙江大學材料與化學工2 一、化工在國民經濟和社會發(fā)展中的地位與作用二、化學工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的道路綠色化工三、關于綠色化工的基本思考2022/9/252 一、化工在國民經濟和社會發(fā)展中的地位與作用2022/9/3主要的化工領域： 能源加工（燃料） 材料制備（高分子材料、金屬材料、無機非金屬材料） 精細化學品制備（染料、顏料、溶劑、日用化學品等） 藥物制備（治療藥、營養(yǎng)藥、飼料添加劑、農藥、化肥等） 食品加工（釀造、制糖等） 輕加工（造紙、制革等） 環(huán)境治理一、化工在國民經濟和社會

2、發(fā)展中的地位與作用2022/9/253主要的化工領域：一、化工在國民經濟和社會發(fā)展中的地位與作用4化工與農牧業(yè)（農用化學品、農膜、）化工與人類生命（醫(yī)藥、保健藥、理療、 ）化工與人類生活（建材、交通、包裝、日用化學品）化工與國防（裝備材料、化學武器、推進劑、微化工過程）化工與能源化工與信息技術（微電子工業(yè)中的超純氣體、純水、試劑、光刻膠、液晶、腐蝕劑、摻雜劑、粘合劑等）一、化工在國民經濟和社會發(fā)展中的地位與作用2022/9/254化工與農牧業(yè)（農用化學品、農膜、）一、化工在國民經濟和5一、化工在國民經濟和社會發(fā)展中的地位與作用化學工業(yè)一種以資源與能源加工、物質轉化、原材料制備為任務的過程工業(yè)。

3、 化學工業(yè)始終在國民經濟和社會發(fā)展中占主導地位，是20世紀最輝煌和最有成就感的工業(yè)之一。2022/9/255一、化工在國民經濟和社會發(fā)展中的地位與作用化學工業(yè)一種6一、化工在國民經濟和社會發(fā)展中的地位與作用制造業(yè)：食品加工業(yè)紡織、服裝、毛皮業(yè)木材加工及家具制造業(yè)造紙、印刷業(yè)文教、體育用品制造業(yè)石油加工及煉焦業(yè)化學原料及化學制品制造業(yè)醫(yī)藥制造業(yè)塑料制造業(yè)橡膠制造業(yè)化學纖維制造業(yè)非金屬礦物制品制造業(yè)黑色金屬冶煉及壓延加工業(yè)2022/9/256一、化工在國民經濟和社會發(fā)展中的地位與作用制造業(yè)：石油加工7一、化工在國民經濟和社會發(fā)展中的地位與作用有色金屬冶煉及壓延加工業(yè)金屬制品業(yè)專用設備制造業(yè)交通運輸

4、設備制造業(yè)武器彈藥制造業(yè)電氣機械及器材制造業(yè)電子通訊設備制造業(yè)儀器儀表（自動化設備）制造業(yè)2022/9/257一、化工在國民經濟和社會發(fā)展中的地位與作用有色金屬冶煉及壓8一、化工在國民經濟和社會發(fā)展中的地位與作用最大的資源轉化與產品制造業(yè)最大的國內生產總值與財政收入行業(yè)（2001年GNP達到1.3萬億元）產業(yè)的先驅、生產力發(fā)展的原動力國民經濟的支柱（美國、德國等發(fā)達國家中，化工產業(yè)均列國民經濟各產業(yè)之首）高技術產業(yè)的支撐2022/9/258一、化工在國民經濟和社會發(fā)展中的地位與作用最大的資源轉化與2004年度財富世界500強 排名公司主營業(yè)務營業(yè)收入1沃爾碼零售 263,009.02英國石油煉

5、油、化工 232,571.03?？松梨跓捰?、化工 122,883.04殼牌石油煉油、化工 201,728.05通用汽車汽車 195,324.016日本電報電話電信 98,229.119國際商用機器計算機 89,131.046中國國家電網電力 58,348.052中國石油天然氣煉油、化工 56,384.054中國石化煉油、化工 55,062.0130微軟軟件 32,187.0單位：百萬美圓2022/9/2592004年度財富世界500強 排名公司主營業(yè)務營業(yè)收入110二、化學工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的道路綠色化工國民經濟的各部門以及人類生活本身或多或少地造成了環(huán)境污染和生態(tài)惡化。污染治理也是化工能作出重

6、要貢獻的領域。但是應當承認，當前的化工生產（資源的加工與利用）仍然是環(huán)境污染和生態(tài)惡化的主要根源之一。2022/9/2510二、化學工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的道路綠色化工國民經濟的各部門以11二、化學工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的道路綠色化工環(huán)境保護與治理的三個時期稀釋排放 對毒性的時間性、生物聚集作用和生態(tài)變化尚無認識末端治理排放 “三廢”處理技術的興起綠色化工（生態(tài)化工）從源頭消除環(huán)境污染（重新設計化學合成路線、制造方法和化工產品）2022/9/2511二、化學工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的道路綠色化工環(huán)境保護與治理的三12二、化學工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的道路綠色化工“末端治理”存在的問題部門分割維持古老落后的技術在市場中的地位成本越

7、來越高經濟效益的虛增有損發(fā)展中國家利益2022/9/2512二、化學工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的道路綠色化工“末端治理”存在的13二、化學工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的道路綠色化工 工業(yè)生態(tài)學觀點： 工業(yè)體系可以成為生態(tài)體系的一種特殊情況，可以像生態(tài)系統(tǒng)那樣的方式進行物質、能量和信息的流動和儲存。 目標： 找到一條能使工業(yè)體系與生物生態(tài)系統(tǒng)的正常運行相互匹配的途徑。2022/9/2513二、化學工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的道路綠色化工 工業(yè)生態(tài)學觀點14二、化學工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的道路生態(tài)化工建立工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)（生態(tài)結構重組）的基本思路廢料資源化（二次資源化工）封閉物質循環(huán)系統(tǒng)和減少消耗性排放產品與經濟活動的非物質化能源脫碳（以石油替代

8、煤炭、以天然氣替代石油，以碳水化合物代替碳氫化合物，更多地采用氫能、太陽能）2022/9/2514二、化學工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的道路生態(tài)化工建立工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)（15三、關于綠色（生態(tài)）化工的基本思考資源利用的生態(tài)化：產品源于那些可以再生的資源，甚至源于廢棄物資源。資源加工的生態(tài)化：生產工藝是環(huán)境友好的，低污染甚至是無污染的。資源產品的生態(tài)化：產品在使用過程中不會產生生態(tài)污染。2022/9/2515三、關于綠色（生態(tài)）化工的基本思考資源利用的生態(tài)化：產品163.1 資源利用的生態(tài)化化石礦物資源的兩大問題：它們的生長周期非常漫長（以億萬年計，實際上是不可再生的），地球上的儲量有限，終究會有枯竭的一天。目前

9、的環(huán)境危機直接或間接的與化石礦物資源的加工和使用有關（如產生CO2、SOx、NOx等，形成局部的環(huán)境污染、產生酸雨及溫室氣體）。2022/9/25163.1 資源利用的生態(tài)化化石礦物資源的兩大問題：20217 生物質資源化 來源于CO2（光合作用），燃燒后產生CO2，但不會增加大氣中CO2的含量，因此比礦物燃料更清潔。 以約1640億噸/年的速度不斷再生，如以能量換算，相當于石油年開採量的1520倍，猶如一個取之不竭、用之不盡的資源寶庫。3.1 資源利用的生態(tài)化2022/9/2517 生物質資源化3.1 資源利用的生態(tài)化2022/9/18 生物質資源的利用需要將組成生物質的淀粉、纖維素、半纖維

10、素、木質素等大分子物質轉化為葡萄糖等低分子物質，以便作為燃料和有機化工原料使用。 目前已研究的方法包括物理法、化學法和生物轉化法。但物理和化學方法一般能耗高、產率低，且過程污染較嚴重，因此往往作為生物轉化法的輔助手段。3.1 資源利用的生態(tài)化2022/9/2518 生物質資源的利用需要將組成生物質19生物質資源制取燃料 1. 由生物質制酒精：大規(guī)模地用于機動車燃料還必須降低成本（1. 利用基因工程改進酵母的性能，以提高過程效率；2. 采用更為廉價的纖維素原料）。 2. 由生物質制天然氣（沼氣） 10萬頭牛糞 5萬M3沼氣 3萬戶家庭燃燒使用 3. 生物制氫：以制糖廢液、纖維素廢液和污泥廢液為原

11、料，采用微生物培養(yǎng)方法制取氫氣。關鍵是提高氫化酶的穩(wěn)定性。3.1 資源利用的生態(tài)化2022/9/2519生物質資源制取燃料3.1 資源利用的生態(tài)化2022/920采用生物質生產有機化學品 1. 以谷物制造的葡萄糖為原料，采用生物技術合成1,3丙二醇（PDO），以生產新型聚酯（PTT)。 2. 以淀粉和纖維素制取的葡萄糖為原料，利用經DNA重組技術改進的細菌，將葡萄糖轉化為已二烯二酸，然后在催化劑的作用下加氫制備己二酸，以制造尼龍纖維、潤滑劑、增塑劑等。 3. 以農業(yè)廢物（秸桿）為原料，應用生物技術合成乳酸，進而聚合成可生物降解的聚合物，以替代聚烯烴和PS。3.1 資源利用的生態(tài)化2022/9/

12、2520采用生物質生產有機化學品3.1 資源利用的生態(tài)化20221 石油時代 可再生生物質資源利用時代？ 1. 酶的研究開發(fā)：采用基因工程、細胞工程、酶工程技術的最新成果，制造出高度穩(wěn)定性和容忍性的微生物，并研究從中提取出所需要的酶的簡便方法。 2. 木質素的利用。 3. 酶和產物從反應液中的分離。 4. 形成平臺化學品（Platform Chemicals） 。3.1 資源利用的生態(tài)化2022/9/2521 石油時代 可再生生物質資源利用時代22 從淀粉或纖維素水解得到的葡萄糖主要用作發(fā)酵工業(yè)的原料。近年來的研究表明，從葡萄糖脫水和脫甲酸后得到的另一個化合物乙酰丙酸（Levulinic Ac

13、id, LA），將有可能成為一種新的平臺化合物。3.1 資源利用的生態(tài)化2022/9/2522 從淀粉或纖維素水解得到的葡萄糖主要用作發(fā)酵工23具有不對稱碳原子，可以進行手性合成或拆分，獲得手性化合物。是一個具有生物活性的分子（例如，在綠色植物或光合細菌中，LA是氨基乙酰丙酸的合成前體及5-氨基-4-酮基戊酸脫氫酶的抑制劑，在血色素生物合成及光合作用調節(jié)中起十分重要的功能）。能夠進行酯化、氧化還原、取代等各種反應，可合成許多有用的化合物和新型高分子材料。3.1 資源利用的生態(tài)化2022/9/2523具有不對稱碳原子，可以進行手性合成或拆分，獲得手性化合物243.1 資源利用的生態(tài)化2022/9

14、/25243.1 資源利用的生態(tài)化2022/9/24么么么么方面Sds絕對是假的么么么么方面Sds絕對是假的么么么么方面Sds絕對是假的2001-4-1826么么么么方面Sds絕對是假的2001-4-182627選擇性還原和脫水過程能夠容易地轉化為4-羥基戊酸和-戊內酯，最高轉化率可達到99%。3.1 資源利用的生態(tài)化2022/9/2527選擇性還原和脫水過程能夠容易地轉化為4-羥基戊酸和-戊28 二氧化碳資源 采用電化學固定法、等離子體固定法及微生物固定法等非常規(guī)方法，以此開發(fā)出一系列含氧有機化學產品和功能高分子材料。3.1 資源利用的生態(tài)化2022/9/2528 二氧化碳資源3.1 資源利

15、用的生態(tài)化2022/9/29 廢舊聚合物資源化 裂解制燃料是處理聚合物廢棄物的重要手段，也是碳元素進一步利用的重要手段。石油、天然氣 燃料石油、天然氣 聚合物 燃料3.1 資源利用的生態(tài)化2022/9/2529 廢舊聚合物資源化3.1 資源利303.2 資源加工的生態(tài)化原子經濟性（元素節(jié)約化學）無害溶劑超臨界二氧化碳、近臨界水、離子液非光氣和非氫氰酸的反應路線固體酸催化反應封閉物質循環(huán)系統(tǒng)和減少消耗性排放2022/9/25303.2 資源加工的生態(tài)化原子經濟性（元素節(jié)約化學）2031原子經濟性與元素節(jié)約化學 以起始原料計，反應物中的原子很難全部進入到最終產品中，有時大部分的原子重新組合生成了廢

16、物而被白白地浪費掉，甚至排放掉污染了環(huán)境。 化工 零排放與減量排放 化學 原子經濟性、元素節(jié)約化學3.2 資源加工的生態(tài)化2022/9/2531原子經濟性與元素節(jié)約化學3.2 資源加工的生態(tài)化202323.2 資源加工的生態(tài)化 原子經濟性與產率或收率的區(qū)別：理想的原子經濟反應（一）重排反應：A B理想的原子經濟反應（二）加成反應：A + B C 取代反應、消除反應的原子經濟性較低。 2022/9/25323.2 資源加工的生態(tài)化 原子經濟性與產率或收率333.2 資源加工的生態(tài)化提高原子經濟性的途徑： 通過新催化劑的開發(fā)形成新工藝 改變反應途徑、簡化合成步驟 采用新合成原料 形成聯產技術 氯甲

17、烷 草甘膦 有機硅 氯化氫2022/9/25333.2 資源加工的生態(tài)化提高原子經濟性的途徑： 34 聯產技術 生態(tài)產業(yè)鏈技術 聯產和生態(tài)產業(yè)鏈技術雖有許多優(yōu)點，但當其中某個產品不暢銷，造成積壓時，勢必會引起另一個產品的生產和銷售。因此聯產技術必須要有一定的市場適應性。 產業(yè)鏈的多目標（經濟、環(huán)境、市場）優(yōu)化3.2 資源加工的生態(tài)化2022/9/2534 聯產技術 生態(tài)產業(yè)鏈技術 35無害溶劑超臨界二氧化碳、近臨界水、離子液超臨界二氧化碳、近臨界水、離子液替代有機溶劑進行催化反應超臨界萃取超臨界二氧化碳發(fā)泡聚苯乙烯（1996年美國“總統(tǒng)綠色化學挑戰(zhàn)獎”）超臨界二氧化碳-表面活性劑金屬清洗體系（

18、1997年美國“總統(tǒng)綠色化學挑戰(zhàn)獎”）3.2 資源加工的生態(tài)化2022/9/2535無害溶劑超臨界二氧化碳、近臨界水、離子液3.2 資源36本體（氣相）聚合反應烯烴氣相本體聚合共軛烯烴的氣相本體聚合聚合物的反應擠出3.2 資源加工的生態(tài)化2022/9/2536本體（氣相）聚合反應3.2 資源加工的生態(tài)化2022/37非光氣和非氫氰酸的反應路線：碳酸二甲酯等替代光氣制備異氰酸酯碳酸二甲酯替代光氣制備聚碳酸酯雙三氯甲基碳酸酯(BTC)替代光氣進行光氣化反應3.2 資源加工的生態(tài)化2022/9/2537非光氣和非氫氰酸的反應路線：3.2 資源加工的生態(tài)化238碳酸二甲酯替代硫酸二甲酯制備甲基化試劑二

19、步氧化法替代氫氰酸路線合成甲基丙烯酸甲酯替代氫氰酸路線合成己二酸和己二胺二乙醇胺路線替代氫氰酸路線合成氨基酸及其鹽（1996年美國“總統(tǒng)綠色化學挑戰(zhàn)獎）芐氯羰化路線替代氫氰酸路線合成苯乙酸3.2 資源加工的生態(tài)化2022/9/2538碳酸二甲酯替代硫酸二甲酯制備甲基化試劑3.2 資源加工39 各種催化劑中，酸性催化劑占3/4左右。固體酸替代液體酸意義重大。實例：分子篩替代三氯化鋁催化劑合成乙苯和異丙苯固體酸替代氫氟酸合成線性烷基苯固體酸替代硫酸、氫氟酸合成烷基化油難點：無論分子篩還是固體超強酸都很容易失活。3.2 資源加工的生態(tài)化2022/9/2539 各種催化劑中，酸性催化劑占3/4左右。固

20、體酸替40封閉物質循環(huán)系統(tǒng)和減少消耗性排放3.2 資源加工的生態(tài)化硅粉氯甲烷直接合成法二甲 目標產物一甲三甲一甲含氫高沸物低沸物 57% 2% 515% 1% 1% 副產物2022/9/2540封閉物質循環(huán)系統(tǒng)和減少消耗性排放3.2 資源加工的生態(tài)41綜合利用的技術路線：3.2 資源加工的生態(tài)化2022/9/2541綜合利用的技術路線：3.2 資源加工的生態(tài)化2022/423.2 資源加工的生態(tài)化 碳元素的工業(yè)循環(huán)代謝 氯元素的工業(yè)循環(huán)代謝 氟元素的工業(yè)循環(huán)代謝 硫元素的工業(yè)循環(huán)代謝2022/9/25423.2 資源加工的生態(tài)化 碳元素的工業(yè)循環(huán)代謝202243 氟元素是一個重要的工業(yè)元素。含氟礦物是冶金、建材等行業(yè)的重要原料；氟化工產品更是應用于國民經濟各個領域，尤其在原子能、航天航空、兵器制造等國防工業(yè)領域有著不可取代的地位。 氟資源（不可再生、戰(zhàn)備物資） 氟污染氟元素的工業(yè)循環(huán)代謝2022/9/2543 氟元素是一個重要的工業(yè)元素。含氟礦物是冶金、44 氟制冷劑 有機氣體釋放（ODS物質溫室效應） 50%滅火劑 有機氟工業(yè) 3040% 氟樹脂 固體