第十一章高分子材料與環(huán)境

1浙江大學(xué)化工系申屠寶卿Shentu@2014.4.16第十一章高分子材料與環(huán)境2經(jīng)濟發(fā)展、科技進步、生活水平提高離不開高分子材料環(huán)境問題:

高分子材料在生產(chǎn)、加工、貯運、使用、廢棄物

處理中可產(chǎn)生有害物，危害環(huán)境和人體健康資源問題:

過程工業(yè)資源利用效率低僅十幾%資源不 可再生性催化劑降低資源能源消耗未來高分子材料工業(yè)工藝過程環(huán)境協(xié)調(diào)型工藝產(chǎn)品環(huán)境協(xié)調(diào)型產(chǎn)品提倡“少即多”

化學(xué)品用量少、效率高;原料能源消耗少;生產(chǎn)效率高;

前言3地球環(huán)境問題

氣圈：CO2使地球溫暖化氟利昂使臭氧層破壞

SO2等酸性雨有機溶劑、汽油等揮發(fā)產(chǎn)生的有機蒸汽(VOC)

地圈：廢棄高分子材料等廢棄物水圈：工業(yè)、農(nóng)業(yè)、家庭排水等引起的水質(zhì)污染4圖各種各樣的環(huán)境污染5高分子材料與環(huán)境高分子材料制備過程中的環(huán)境問題高分子材料使用過程中的污染廢棄高分子材料的處理白色污染環(huán)境荷爾蒙：高分子材料中含有的超微量能引起內(nèi)分泌混亂的物質(zhì)6環(huán)境問題的對策高分子膜用于CO2的回收離子交換樹脂用于水處理廢棄高分子材料的回收綜合利用生物降解高分子用綠色化學(xué)方法制備高分子材料7地球溫暖化和高分子地球溫暖化對世界能源政策、環(huán)境政策產(chǎn)生重要影響?？刂艭O2、CH4、N2O等的排放尋找代替氟利昂的新材料ne-O2H+H2AnodeElectrolyteCathodeVH+H+e-e-H2OFuelCell8控制溫室氣體排放的措施節(jié)能大量使用綠色能源對溫室氣體的固定、分離回收創(chuàng)新的環(huán)境技術(shù)開發(fā)下一代新能源的開發(fā)9高分子材料的再生循環(huán)利用

目前高分子材料的再資源化率低，廢紙、鋁罐達50%。廢棄高分子材料的現(xiàn)狀城市生活垃圾1.2億噸/年以上,其中廢棄高分子材料占2％-4％，即240～480萬噸。廢棄高分子材料引起的環(huán)境和社會問題

經(jīng)濟損失：高達2000億元/年，其中，生態(tài)破壞：1000億元，因污染糧食減產(chǎn)：1280萬噸，受農(nóng)藥嚴重污染的糧食：3000萬噸。據(jù)世界銀行公布，1995年中國因污染造成80萬人過早死亡，740萬人患支氣管炎，國家花費的醫(yī)療費用達340億元，估計到2020年將花費1040億元。10

廢棄高分子材料對農(nóng)業(yè)和生物的危害

以農(nóng)用和包裝材料為主以廢棄農(nóng)膜為主，包括地膜、棚膜、果蔬保鮮膜及農(nóng)灌防 滲膜等。使用壽命通常是1～2年，在土壤中約300—400 年才能完全降解。廢棄高分子材料對動物的危害塑料廢棄物對海洋生物造成的危害是石油溢漏危害性的4倍，

高分子材料劃傷食道，造成胃部潰瘍等疾患。

廢棄高分子材料對人體的危害造成火災(zāi)事故，塑料廢棄物的焚燒產(chǎn)生有害的氣體，有毒氣體能使獸類和鳥類出現(xiàn)畸形和死亡。11高分子材料的再生循環(huán)利用高分子材料工業(yè)應(yīng)貫徹3R原則

減量化原則(Reduce)要求用較少的原料和能源投入,達到既定的生產(chǎn)目的或消費,以便從經(jīng)濟生活的源頭就注意節(jié)約資源和減少污染。

再使用原則(Reuse)要求產(chǎn)品和包裝以初始形式使用和反復(fù)使用,減少一次性用品,延長產(chǎn)品使用壽命

再循環(huán)原則(Recycle)

生產(chǎn)出來的制品在完成其使用功能后能重新變成可以利用的資源,而不是不可恢復(fù)的垃圾.生產(chǎn)一件制品只是完成了一半工作,關(guān)鍵是應(yīng)設(shè)計好在制品達到使用壽命后如何處理.生產(chǎn)者必須承擔(dān)起解決廢棄物的責(zé)任.12

廢棄高分子材料的循環(huán)利用方法材料的循環(huán)利用：收集單一的塑料，重新造粒；物性相似的塑料熔融成型加工的復(fù)合再生法

Samal循環(huán)利用：廢棄高分子材料等燃燒，以熱能形式回收化學(xué)循環(huán)利用：廢塑料等高溫化學(xué)分解回收單體、溶劑、油 等原料重復(fù)使用：廢塑料洗凈再使用的方法，從能源及成本考慮都是最優(yōu)的循環(huán)利用方法13廢塑料的分離方法14廢塑料的再生利用方法聚15廢塑料的高溫裂解工藝流程16廢塑料的催化裂解工藝流程17表塑料粉末、煤粉和重油燃燒實驗結(jié)果18表高分子材料循環(huán)利用和回收方法廢棄高分子材料的種類物理方法化學(xué)方法熱能再生單一高分子++++高分子混合物+++++含有紙類的高分子混合物--++垃圾中的高分子--++-：不推薦，+：適合，++：推薦方法19生物降解高分子

資源循環(huán)利用推進的同時，希望發(fā)展環(huán)境低負荷型材料。生物降解高分子：能被自然界中微生物分解的高分子高分子材料材料降解分解后生成物微生物代謝分解菌種H2O、CO2、CH420生物分解性高分子的種類微生物制造的高分子：如聚丁酸酯（PHB）

來自動植物的高分子：纖維素、蝦和螃蟹等的殼化學(xué)合成的高分子：聚醚等21微生物制造的高分子代表性的聚酯共聚物22

P(3HB-4HB)

與通用高分子材料的性能比較材質(zhì)抗張強度kg/cm2

伸長率%熔點℃P(3HB-4HB)

100-30050-500140-170PE

125850120PP

340750160

隨4HB含量增加，P(3HB-4HB)

的柔軟性增加根據(jù)填埋情況P(3HB-4HB)

可在一個月至數(shù)個月內(nèi)分解23

代表性的多糖類物質(zhì)結(jié)構(gòu)纖維素24從動植物中來的高分子纖維素：地球上存在最多的高分子，分子間存在氫鍵，結(jié)晶度高，加工困難。嚇、螃蟹殼：天然多糖，不溶、不熔可溶性生物分解高分子25化學(xué)合成生物降解高分子

合成的生物降解高分子加工性優(yōu)種類脂肪族聚酯：聚乳酸脂肪族聚醚聚乙烯醇成本：是普通高分子的數(shù)倍到數(shù)十倍實際條件下的分解程度及對環(huán)境的影響程度26開環(huán)聚合法直接合成法脂肪族聚酯的合成27用綠色化學(xué)方法制備高分子材料綠色化學(xué)：用化學(xué)的技術(shù)和方法去減少或消滅那些對人類健康、社區(qū)安全、生態(tài)環(huán)境有害的原料、催化劑、溶劑和試劑、產(chǎn)物、副產(chǎn)物等的使用和產(chǎn)生。1996年美國設(shè)立了總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎。日本制定了新陽光計劃2829OxidativePolymerizationSynthesisofAromaticPolymersGreenPolymerization原子經(jīng)濟的化學(xué)反應(yīng)30A.S.Hay,J.Am.Chem.Soc.

1959,81,6335.1、溶劑回收復(fù)雜，污染環(huán)境2、防爆反應(yīng)器，成本高存在的問題:有機溶劑中氧化聚合制備PPO31K.Saito,T.Tago,T.Masuyama,H.Nishide,GreenChemistry.,2003,5,535.水介質(zhì)中氧化聚合制備PPO單體

(DMP),NaOH,氧化劑或催化劑,表面活性劑，氧氣polymerization32

未解決的問題催化效率低（[單體]/[催化劑]=10）開發(fā)新型催化劑水溶性樹形分子33水和高分子

21世紀地球環(huán)境的重要課題—水.地球表面70%水，但淡水僅占3%.

水資源不足的對策：海水淡化

高分子逆浸透膜：海水的60%變成淡水海外數(shù)十萬m3/日規(guī)模

水質(zhì)污染含鹵素的有機物、農(nóng)藥、施肥后剩余的農(nóng)藥、含氮化合物34使用高分子材料的水處理方法：

膜分離法逆浸透膜和納米過濾膜可分離農(nóng)藥類、含氮化合物等優(yōu)點：節(jié)省能源缺點：膜表面和孔內(nèi)堆積處理對象物質(zhì)，使處理量下降

離子交換樹脂法電鍍廢液的回收和精制、鍋爐給水的軟化、超純水的