綠色化學(xué)工藝學(xué)

Greenchemistrytechnology第一章緒論經(jīng)過(guò)近三年的學(xué)習(xí)，對(duì)化工生產(chǎn)應(yīng)該有了大致的了解?；瘜W(xué)工業(yè)可以說(shuō)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱。正是由于化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，人類的生活水平才有了大幅度的提高?；瘜W(xué)工業(yè)為人類創(chuàng)造了巨大財(cái)富，促進(jìn)了社會(huì)的文明和進(jìn)步?；瘜W(xué)工業(yè)對(duì)人類的貢獻(xiàn)主要體現(xiàn)在如下四個(gè)方面。A、農(nóng)藥、化肥的使用大幅度提高了農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量，使人們免除了饑餓的困擾；B、合成材料使人們衣著華麗、生活變的豐富多彩；C、化學(xué)合成藥物為人們防病祛病，延年益壽；D、各種精細(xì)化學(xué)品為人們提供了多種多樣、方便實(shí)用的生活用品?？梢哉f(shuō)化學(xué)化工與我們的生活息息相關(guān)，而且逐漸發(fā)展成為國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱?；瘜W(xué)工業(yè)的負(fù)面影響令人遺憾的是，化工生產(chǎn)過(guò)程中所用原料部分轉(zhuǎn)變成產(chǎn)品外，有相當(dāng)一部分轉(zhuǎn)變成污染物。因而，可以說(shuō)全球嚴(yán)峻的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題都直接或間接與化學(xué)污染有關(guān)。比如，重晶石焙燒生產(chǎn)鋇鹽時(shí)，有相當(dāng)多的可溶鋇鹽留在鋇渣中，從而形成鋇污染。這些現(xiàn)象目前已危及人類自身的健康和生存，給工業(yè)文明蒙上了陰影。曾經(jīng)被喻為“人類救星”的某些化學(xué)技術(shù)，已被證明是侵害人類的罪犯。某些農(nóng)藥是殺蟲(chóng)劑，也是殺人劑。以至于人們認(rèn)為化工是引起環(huán)境污染的罪魁禍?zhǔn)?，化學(xué)家要負(fù)主要責(zé)任。由此可見(jiàn)，整個(gè)社會(huì)向化學(xué)工作者提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。如何使現(xiàn)代化學(xué)科技摒棄負(fù)面影響，繼續(xù)為人類創(chuàng)造巨大的財(cái)富，促進(jìn)社會(huì)的文明和進(jìn)步，正是人類社會(huì)生存發(fā)展對(duì)綠色化學(xué)的迫切要求。第一節(jié)環(huán)境污染狀況一、地球環(huán)境的惡化環(huán)境是指影響人類生存和發(fā)展的各種天然和經(jīng)過(guò)人工改造的自然因素的總和。環(huán)境包括大氣、水、海洋、土地、礦藏、森林、草場(chǎng)等。地球環(huán)境的惡化體現(xiàn)在如下六個(gè)方面。1、大氣污染導(dǎo)致大氣污染的物質(zhì)大氣污染的特征全球受污染最嚴(yán)重的十大城市中有九個(gè)是在中國(guó)。目前城市天氣預(yù)報(bào)中就含有空氣污染指數(shù)這一項(xiàng)。在空氣污染指標(biāo)中，一是粉塵，二是氮化物。大氣中氮化物的來(lái)源由于國(guó)產(chǎn)柴油的十六烷值較低，需要氮化物調(diào)整提高十六烷值，燃燒后以NO、NO2的形式進(jìn)入大氣。氮化物主要是硝基化合物，相當(dāng)于低爆性炸藥。比如硝酸異丙脂、硝酸丁酯、硝酸辛酯等單酯，與雙酯、多硝基酯相比更穩(wěn)定些。加入硝基化合物相當(dāng)于在柴油中加入了炸藥，燃燒速度加快。2、水污染

國(guó)內(nèi)水污染狀況江河、湖、海等污染，污染物含量超過(guò)了水體的自凈能力。沿海企業(yè)把污染物向大海排放，而內(nèi)陸企業(yè)只有將污染物排入河流、湖泊，從而造成污染。我國(guó)年排放廢水總量約500億噸，其中工業(yè)廢水和生活廢水，約各占一半，其中大部分未作處理即直接排放，全國(guó)七大水系均遭到嚴(yán)重污染。有相當(dāng)一部分不適合人畜飲用。我們所看到的河流多是有色河流，更尤甚者在流動(dòng)過(guò)程中變色，比如由藍(lán)綠色變?yōu)榧t褐色（二價(jià)鐵→三價(jià)鐵）。因而需要下大力氣治理污染。地下水污染，能作為飲用水的地下水越來(lái)越少。3、固體廢棄物污染包括工業(yè)固體廢棄物、礦業(yè)固體廢棄物、城市垃圾、農(nóng)業(yè)固體廢棄物及放射性固體廢棄物。代表性的污染物a堿廠白泥（含懸浮態(tài)的碳酸鈣，溶解態(tài)的氯化鈣、氯化鈉、氧化鈣等）。b鉻渣（含可溶性鉻酸鹽）。c鋇渣（含可溶性的鋇鹽）。4、噪聲污染工業(yè)和交通工具所發(fā)出的不同頻率和強(qiáng)度的雜亂振動(dòng)造成的超常聲音容易使人產(chǎn)生煩躁，故稱之為噪音?？照{(diào)如何靜音？大型空壓機(jī)如何避免喘振？上述四種污染已被人們稱為四大公害。我國(guó)每年由環(huán)境污染造成的損失達(dá)到1000億元以上。5、電磁污染

長(zhǎng)時(shí)間打手機(jī)所導(dǎo)致的頭痛等均是電磁傷害所致。6、放射性污染

放射性物質(zhì)的應(yīng)用日趨廣泛，比如，工業(yè)探傷就是采用x射線。強(qiáng)化放射物的管理，避免流失到環(huán)境中去是當(dāng)務(wù)之急。二、環(huán)境污染對(duì)人體危害廢水所含的有機(jī)污染物，如苯、酚等，無(wú)機(jī)污染物，如氰化物、金屬離子（砷、汞、鉻、鎘、鉛）均對(duì)人體產(chǎn)生嚴(yán)重危害。其主要表現(xiàn)在：1、癌癥病人日漸增多；（二噁英，氯乙烯、；氯丁烯等致癌物質(zhì)）2、職業(yè)病人多；（矽肺?。?、人的生育能力下降50%，不育病人增多。第二節(jié)未來(lái)化工的發(fā)展趨勢(shì)一、化工原料的變化趨勢(shì)：由石油、天然氣向煤和生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化。目前世界范圍內(nèi)的石油及天然氣的開(kāi)采高峰期已經(jīng)過(guò)去，未來(lái)的供應(yīng)量將會(huì)日趨減少。國(guó)內(nèi)每年自產(chǎn)石油量不足1.5億噸，年進(jìn)口量3億噸。而煤的儲(chǔ)量遠(yuǎn)高于石油、天然氣。國(guó)內(nèi)已探明儲(chǔ)量達(dá)到10000億噸，目前年開(kāi)采量達(dá)到25億噸，按目前的開(kāi)采速度僅供開(kāi)采400年。日漸枯竭的資源要求原料的利用率盡可能高。生物質(zhì)屬于可再生能源，以生物質(zhì)為原料，利用生化反應(yīng)可生產(chǎn)一系列化工產(chǎn)品，逐漸減少對(duì)石油、天然氣的依賴。煤碳化工利用的途徑以煤為原料生產(chǎn)化工產(chǎn)品的工藝路線主要有如下兩種：1、合成氣路線

CO+2H2→(-CH2-)+H2O①合成氣生產(chǎn)化工產(chǎn)品合成氣可用于生產(chǎn)合成氨、羰基合成生產(chǎn)醇類（乙醇除外），有了這些基礎(chǔ)原料，可以衍生出一系列的化工產(chǎn)品。②合成氣生產(chǎn)石油以合成氣為原料，通過(guò)費(fèi)托合成生產(chǎn)石油，真正實(shí)現(xiàn)煤代油路線。2、甲醇路線以甲醇為原料經(jīng)脫水醚化生產(chǎn)粗二甲醚，不需經(jīng)過(guò)任何精制，進(jìn)一步脫水生產(chǎn)乙烯、丙烯。由乙烯、丙烯為基本原料，通過(guò)分子組合，可衍生出一系列化工產(chǎn)品。比如乙烯水合生產(chǎn)乙醇，氧化生產(chǎn)環(huán)氧乙烷、乙醛等；丙烯羰基合成生產(chǎn)正、異丁醛等。二、化工生產(chǎn)過(guò)程的綠色化1、化工原料的綠色化化工原料的綠色化就是盡可能選用無(wú)毒、無(wú)害的化工原料和可再生資源進(jìn)行化學(xué)品的合成和制備。比如，以碳酸二甲酯代替硫酸二甲酯進(jìn)行甲基化合成；以二氧化碳代替光氣合成異氰酸酯，熱穩(wěn)定劑由鉛鹽改為鈣、鋅鹽等。2、化工生產(chǎn)技術(shù)的綠色化利用全新的化工技術(shù)，如反應(yīng)精餾技術(shù)、反應(yīng)萃取技術(shù)、新催化技術(shù)、生物技術(shù)、電化學(xué)技術(shù)、光化學(xué)技術(shù)、膜技術(shù)等，開(kāi)發(fā)高效、高選擇性的原子經(jīng)濟(jì)性反應(yīng)，從源頭上減少或消除有害廢物的產(chǎn)生，降低或避免對(duì)環(huán)境有害的原料的使用，合理使用和節(jié)省資源和能源，減少或消除產(chǎn)品的制備和使用過(guò)程中的事故和隱患。3、化工產(chǎn)品的綠色化

化工產(chǎn)品的綠色化就是根據(jù)綠色化工的新觀念、新技術(shù)和新方法，設(shè)計(jì)、研究和制備更為安全的綠色化工產(chǎn)品。要求產(chǎn)品無(wú)毒或低毒，與生物圈相容性好，使用后在環(huán)境中能分解成對(duì)環(huán)境和生態(tài)無(wú)害的產(chǎn)物。如油溶劑型油漆改為水性漆，以水代替有毒、有害的溶劑。以甲縮醛和甲醇的混合物代替具有遺傳毒性的MTBE（甲基叔丁基醚，可有效提高汽油的辛烷值）。三、化工產(chǎn)品的精細(xì)化和功能化目前國(guó)內(nèi)化工產(chǎn)品的精細(xì)化率小于40%，產(chǎn)品附加值小，利潤(rùn)率低；國(guó)外化工產(chǎn)品的精細(xì)化率達(dá)到80%以上，基本實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品性能的差異化和功能化，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。以聚乙烯醇為例，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品品種有1788和1799國(guó)外品種除1788、1799外還有2088、2099、以及1780等。1780不僅具有增稠功能，還具有降低表面張力的功能。表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)及分類：

表面活性劑屬于雙親分子，即親油基和親水基。1）陰離子型表面活性劑。這類表面活性劑溶于水后生成的親水集團(tuán)為帶負(fù)電荷的酸根，按親水基的不同又分為如下四種：表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)及分類：2）陽(yáng)離子型表面活性劑這類表面活性劑溶于水后生成的親水集團(tuán)為帶正電荷的基團(tuán)，按親水基的不同分為如下四種：表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)及分類：3）非離子型表面活性劑這類表面活性劑溶于水后不解離成離子，因而不帶電荷。按其親水基結(jié)構(gòu)可分為聚乙二醇型、多元醇型和醇酰胺型。表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)及分類：4）兩性離子型表面活性劑這類表面活性劑溶于水后生成正負(fù)兩種離子。它在酸性溶液中呈陽(yáng)離子性，在堿性溶液中呈陰離子性。1780聚乙烯醇的結(jié)構(gòu)：酯基團(tuán)作為親油基，醇羥基作為親水基，形成雙親分子，該大分子既具有增稠效果，又具有表面活性。而通常的乳化體系，既要有增稠劑，又要有表面活性劑。采用本品可以一代二，且無(wú)需徹底去除，殘留在產(chǎn)品中，也不會(huì)影響產(chǎn)品性能（表面活性劑溶于油及水）。第三節(jié)綠色化學(xué)化工的特點(diǎn)一、綠色化學(xué)化工的定義綠色化學(xué)早期稱為環(huán)境無(wú)害化學(xué)，環(huán)境友好化學(xué)、潔凈化學(xué)。從環(huán)境友好的角度出發(fā)，綠色化學(xué)化工的定義為：利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的原理和方法，減少或消滅對(duì)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、助劑、產(chǎn)物、副產(chǎn)物等的使用和產(chǎn)生，突出從源頭上根除污染，研究環(huán)境友好的新原料、新反應(yīng)、新過(guò)程、新產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)化學(xué)工業(yè)與生態(tài)的協(xié)調(diào)發(fā)展。二、發(fā)展綠色化學(xué)化工的需要1、維持生態(tài)平衡的需要生態(tài)系統(tǒng)的能量和物質(zhì)是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)。在自然界中一個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)正常的生態(tài)系統(tǒng)中的能量和物質(zhì)的輸入和輸出，在一定時(shí)間內(nèi)是自動(dòng)趨于平衡的。當(dāng)受到外來(lái)影響干擾時(shí)，生態(tài)系統(tǒng)也能通過(guò)自身調(diào)節(jié)和凈化，來(lái)恢復(fù)和保持原來(lái)的平衡。但這種自動(dòng)恢復(fù)的能力是有限的。當(dāng)外來(lái)影響超過(guò)一定限度時(shí)，生態(tài)系統(tǒng)這種自動(dòng)恢復(fù)的能力就會(huì)受到嚴(yán)重干擾或完全喪失，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)的失調(diào)，從而引起連鎖反應(yīng)，使整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞，給人類社會(huì)帶來(lái)災(zāi)難。殺蟲(chóng)劑和重金屬鹽通過(guò)生物鏈傳遞給人類。人類社會(huì)只能依托在一個(gè)良好的生態(tài)系統(tǒng)上，才有可能持續(xù)穩(wěn)定地發(fā)展，因而要求綠色化學(xué)在為人類提供豐富的生活物質(zhì)的同時(shí)必須保持生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)。2、充分合理地利用資源的需要自然資源是國(guó)民經(jīng)濟(jì)賴以發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。自然資源是豐富和多樣的，但是從儲(chǔ)量看，它又是有限的。煤、石油和天然氣均是目前全球發(fā)展的基礎(chǔ)能源，也屬于不可再生的礦物資源。目前全球能源需求的75%和化工原料95%均來(lái)自化石燃料。以往人類的高消耗和過(guò)度開(kāi)采導(dǎo)致目前全球的資源枯竭和危機(jī)。只有通過(guò)優(yōu)化資源的使用方式，提高資源的利用率，才能實(shí)現(xiàn)自然資源的消耗與增長(zhǎng)相平衡。3、維護(hù)人類自身健康的需要人類自身的健康生存是人類社會(huì)追求的目標(biāo)之一。事實(shí)證明，某些化工生產(chǎn)的廢棄物，以及使用劇毒原料或中間體的泄漏，給人類帶來(lái)了極大的傷害。比如，酸雨使全球大面積的森林死亡；印度光氣泄漏致使2500人死亡，50000人失明，20余萬(wàn)人受到嚴(yán)重傷害。三、綠色化學(xué)的特點(diǎn)綠色化學(xué)是對(duì)傳統(tǒng)化學(xué)思維方式的更新和發(fā)展，是更高層次的化學(xué)，是化學(xué)化工發(fā)展的新階段。1、綠色化學(xué)與傳統(tǒng)化學(xué)的區(qū)別在于前者更多地考慮社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，促進(jìn)人和自然的協(xié)調(diào)。在這種意義上說(shuō)，綠色化學(xué)化工是對(duì)化學(xué)工業(yè)乃至整個(gè)現(xiàn)代工業(yè)的革命，是化學(xué)工作者面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。2、綠色化學(xué)與環(huán)境化學(xué)的區(qū)別在于前者研究環(huán)境友好的化學(xué)反應(yīng)和新技術(shù)，而環(huán)境化學(xué)則是研究影響環(huán)境的化學(xué)問(wèn)題。3、綠色化學(xué)與環(huán)境治理（又叫環(huán)境工程）的區(qū)別在于前者是從源頭上防止污染的生成，而環(huán)境治理則是對(duì)已被污染的環(huán)境進(jìn)行治理，即末端治理的經(jīng)營(yíng)模式，往往治標(biāo)不治本，既浪費(fèi)資源和能源，又耗費(fèi)了大量的治理費(fèi)用，綜合效益差，甚至造成二次污染。第四節(jié)綠色化工的基本原則1、堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展的原則為判斷化工產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程是否符合可持續(xù)發(fā)展的要求，必須建立一整套的綠色化工可持續(xù)發(fā)展的評(píng)估方法，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行可持續(xù)發(fā)展評(píng)估。包括對(duì)環(huán)境、安全、和人類健康影響評(píng)價(jià)，資源的有效利用評(píng)價(jià)。生命周期是指一個(gè)產(chǎn)品從搖籃到墳?zāi)沟娜^(guò)程，包括從最初的原材料開(kāi)采、提煉加工、產(chǎn)品制造、包裝、運(yùn)輸、為消費(fèi)者服務(wù)、回收和循環(huán)利用、最終的廢棄物處置等。資源的耗損和環(huán)境的污染在每個(gè)階段都有可能發(fā)生，那么污染的預(yù)防和控制應(yīng)體現(xiàn)在產(chǎn)品生命周期的每一個(gè)階段。因此，以上評(píng)價(jià)應(yīng)是對(duì)產(chǎn)品整個(gè)生命周期的影響評(píng)價(jià)。2、提倡在污染源頭防止污染產(chǎn)生防止污染產(chǎn)生優(yōu)于污染的后治理。一旦污染物對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞，要想徹底根治是比較困難的，不僅投資大，花錢(qián)多、治理時(shí)間長(zhǎng)，而且治標(biāo)不治本，還可能造成二次污染。環(huán)氧丙烷的傳統(tǒng)工藝原料為氯氣、水、丙烯、石灰，反應(yīng)式：CI2+H2O==HOCI+HCIC3H6+HOCI==CH3CHCICH2OH2CH3CHCICH2OH+Ca(OH)2==2C3H6O+H2O+CaCI2該反應(yīng)需要消耗大量的石灰和氯氣，設(shè)備腐蝕和環(huán)境污染嚴(yán)重，廢水排放量大，噸產(chǎn)品產(chǎn)生60噸左右的低濃度氯化鈣廢水。目前正在開(kāi)發(fā)的綠色工藝為以丙烯、雙氧水為原料，以鈦硅分子篩為催化劑。C3H6+H2O2==C3H6O+H2O3、化學(xué)反應(yīng)的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循“原子經(jīng)濟(jì)性”原則“原子經(jīng)濟(jì)性”原則，就是使所有的反應(yīng)物都轉(zhuǎn)化為目的產(chǎn)物，以最大限度地利用資源，盡可能將所有原料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，避免產(chǎn)生廢物。目前化工原料90%以上來(lái)源于不可再生資源，以往低效率的化學(xué)工業(yè)造成了這些資源的巨大浪費(fèi)，同時(shí)也產(chǎn)生了大量的廢物。現(xiàn)在提倡“原子經(jīng)濟(jì)性”，最好原子利用率達(dá)到100%。化學(xué)反應(yīng)的原料盡可能采用無(wú)毒或低毒物質(zhì)，并且，這些原料本身的生產(chǎn)也是環(huán)境友好的。比如，氯化法生產(chǎn)環(huán)氧丙烷的工藝中，氯氣、石灰均未進(jìn)入產(chǎn)品中，原子利用率僅38%。而雙氧水氧化法原子利用率100%。4、不用和不產(chǎn)生有害且有安全隱患的物質(zhì)和能源合成某種目的產(chǎn)物一般有多種路線可供選擇，在設(shè)計(jì)和選擇合成路線時(shí)，應(yīng)根據(jù)這一原則選擇原料和反應(yīng)路線。聚碳酸酯的傳統(tǒng)合成方法是采用光氣和苯酚反應(yīng)生成碳酸二苯酯，進(jìn)而和雙酚A進(jìn)行酯交換，再縮聚成聚碳酸酯。然而光氣屬于劇毒物質(zhì)，對(duì)人體健康和環(huán)境有害（工廠周圍20公里內(nèi)不允許有居民）。為此，國(guó)外開(kāi)發(fā)了碳酸二甲酯代替光氣的新技術(shù)。5、設(shè)計(jì)的產(chǎn)品不僅具有良好的功效和耐久性，還應(yīng)低毒無(wú)害和廢棄后易于降解為無(wú)害物質(zhì)。汽油的成分由烷烴、烯烴、芳烴構(gòu)成。烷烴中的正構(gòu)烴燃燒速度快，辛烷值低。而芳烴和烯烴雖然燃燒速度慢，辛烷值高，但由于毒性大、燃燒不完全，嚴(yán)格限制其在油品中的含量。為提高汽油的辛烷值需要調(diào)配辛烷值提高劑，而MTBE可有效提高汽油的辛烷值。隨著環(huán)保意識(shí)的提高，考慮到MTBE具有遺傳毒性，在美國(guó)已禁用。改用其他含氧化合物代替。如甲醇、甲縮醛、碳酸二甲酯均作為汽油的含氧添加劑。6、盡可能不使用助劑和溶劑，必要時(shí)應(yīng)采用無(wú)毒無(wú)害的溶劑和助劑

傳統(tǒng)涂料使用苯、甲苯等溶劑，逐漸改為水分散或水溶、醇溶等溶劑系列。在相當(dāng)多的化學(xué)反應(yīng)中，需要采用溶劑，反應(yīng)后，在將溶劑回收回用。溶劑在整個(gè)循環(huán)過(guò)程中難免有損耗，而且溶劑的循環(huán)也是相當(dāng)耗能的。最近幾年所出現(xiàn)的固相反應(yīng)，即是避免使用溶劑的很好的例子。另外，利用CO2的超臨界條件代替溶劑用于萃取或浸取，有效減少溶劑向環(huán)境的排放。7、合理使用和節(jié)省能源

能量是保證化學(xué)反應(yīng)和化工過(guò)程順利進(jìn)行的必要條件。但是化工過(guò)程所需要的能量應(yīng)考慮其對(duì)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益的影響，盡可能使化工過(guò)程在環(huán)境溫度和壓力下進(jìn)行，達(dá)到合理使用和節(jié)省能源?；瘜W(xué)反應(yīng)常常需要加熱來(lái)加速反應(yīng)，通常能量被用來(lái)克服活化能。應(yīng)用催化劑可降低活化能，使反應(yīng)完全的熱能需求降至最低。化工產(chǎn)品的分離、提純、如蒸餾、重結(jié)晶等，是相當(dāng)耗能的步驟。因此，在設(shè)計(jì)反應(yīng)過(guò)程時(shí)，應(yīng)充分利用物質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)的差異或研究新的分離技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品和副產(chǎn)品的分離，應(yīng)將分離步驟所需的能量降至最低。熱能品位，低溫?zé)崮艿睦?。再沸器和冷凝器在使用過(guò)程中的概念合并。8、在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行的條件下，盡量利用可再生的資源和能源合成化學(xué)品。對(duì)于可再生資源的利用，從科學(xué)、工業(yè)和環(huán)境方面看均有重大意義。如石油系增粘樹(shù)脂改為松香系增粘樹(shù)脂；利用光電轉(zhuǎn)換，由太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電化學(xué)氧化、還原等。9、盡量避免不必要的衍生化步驟反應(yīng)步驟多，總收率大幅度降低，假如反應(yīng)分五步，單步收率80%，則總收率僅為33%。10、采用高選擇性的催化劑采用離子交換樹(shù)脂代替氧化鋁催化劑生產(chǎn)二甲醚，反應(yīng)溫度由300℃降至160℃，通過(guò)降低反應(yīng)溫度實(shí)現(xiàn)節(jié)能。11、實(shí)施在線監(jiān)測(cè)分析，以有效控制有害物質(zhì)的形成或準(zhǔn)確掌握其排放量化學(xué)反應(yīng)過(guò)程是動(dòng)態(tài)的，受多種因素的影響。如果反應(yīng)條件發(fā)生變化，就可能改變方向，產(chǎn)生一些廢物或者生成一些有毒有害的危險(xiǎn)品，或者反應(yīng)不完全，使一些原料變成了廢物，降低了生產(chǎn)效率，增加了生產(chǎn)成本。通過(guò)實(shí)時(shí)分析，在線監(jiān)控可以及時(shí)調(diào)節(jié)反應(yīng)條件和準(zhǔn)確判斷反應(yīng)的完成程度，提高目的產(chǎn)物的收率，使廢棄物的產(chǎn)生量降到最低。如醛氧化生產(chǎn)酸的過(guò)程中，在線檢測(cè)過(guò)氧化物含量，減少深度氧化反應(yīng)的發(fā)生。控制轉(zhuǎn)化深度，追求最高收率。12、充分了解和研究生產(chǎn)過(guò)程中可能涉及的各種化學(xué)反應(yīng)的熱力學(xué)規(guī)律，盡可能避開(kāi)劇烈的放熱反應(yīng)，以保證生產(chǎn)安全劇烈的放熱反應(yīng)也是造成化學(xué)事故的主要原因之一，在生產(chǎn)過(guò)程中由于不能及時(shí)地移出反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的熱量，可能會(huì)造成反應(yīng)溫度等參數(shù)的失控，而影響產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量，嚴(yán)重時(shí)可能發(fā)生沖料、爆炸等事故。如硝化反應(yīng)的移熱問(wèn)題，移熱不及時(shí)會(huì)導(dǎo)致分解爆炸反應(yīng)的發(fā)生。13、應(yīng)綜合考慮可用能源的相互耦合在化工生產(chǎn)過(guò)程中，可充分利用放熱反應(yīng)產(chǎn)生的熱或其它余熱（如排出的加熱蒸氣，造氣-變換一體化技術(shù)）來(lái)驅(qū)動(dòng)吸熱反應(yīng)，或其它需要加熱的過(guò)程。1）苯酐生產(chǎn)是強(qiáng)放熱反應(yīng)，而乙苯脫氫生產(chǎn)苯乙烯是強(qiáng)吸熱反應(yīng)，二者耦合反應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)熱平衡。2）合成氨脫碳工段，脫碳液去減壓再生時(shí)，壓強(qiáng)能可用于驅(qū)動(dòng)透平，進(jìn)而作為脫碳液返回脫碳吸收塔的動(dòng)力。14、應(yīng)考慮產(chǎn)品的服務(wù)功能結(jié)束后的性能和去向，最好能再利用在很多情況下，產(chǎn)品的壽命終結(jié)都是因?yàn)榧夹g(shù)或款式上的老化而導(dǎo)致的，而不是因?yàn)槠浠拘阅芑蛸|(zhì)量的衰竭。為了減少?gòu)U物，那些還有功效或價(jià)值的成分應(yīng)再利用或重新構(gòu)建。因而，在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)就應(yīng)充分考慮產(chǎn)品服務(wù)功能結(jié)束后產(chǎn)品的再利用問(wèn)題。比如，聚苯乙烯包裝材料，可由水溶性甲縮醛溶劑溶解，脫溶劑后得到固體聚苯乙烯，可以回用。15、強(qiáng)調(diào)“輸出”的牽引，而不是靠輸入物質(zhì)和能量的推動(dòng)許多化學(xué)反應(yīng)是平衡反應(yīng)，當(dāng)反應(yīng)體系的溫度、壓力、濃度發(fā)生變化時(shí)會(huì)破壞這種平衡。通常，通過(guò)提高反應(yīng)溫度、壓力或反應(yīng)物的量使化學(xué)平衡向生成產(chǎn)物的方向移動(dòng)，但這樣會(huì)造成能量和原料的浪費(fèi)。通過(guò)不斷將產(chǎn)品從反應(yīng)體系中移出也可達(dá)到相同的目的，并可減少能量和原料的消耗。反應(yīng)精餾技術(shù)、反應(yīng)萃取技術(shù)、膜技術(shù)即是一些很好的應(yīng)用例子。16、集約化生產(chǎn)在同一區(qū)域內(nèi)各廠之間原料、熱源互供，既可以充分利用資源，又可以節(jié)省大量運(yùn)輸費(fèi)用。17、反應(yīng)之間的耦合技術(shù)從前面所講的原子利用率部分可以看出，以丙烯和雙氧水生產(chǎn)環(huán)氧丙烷的原子利用率達(dá)到100%。H2O+1/2O2===H2O2C3H6+H2O2==C3H6O+H2O從環(huán)保角度和資源利用上看該工藝符合綠色工藝。但該工藝也有缺陷，主要是生產(chǎn)成本高。目前雙氧水的價(jià)格：2500元/噸，有效濃度30%，折算一下，純氧原子相當(dāng)于17708元/噸。該工藝?yán)玫难鯇?shí)際上是來(lái)源于空氣中的氧，因而為降低成本，能否以低成本實(shí)現(xiàn)環(huán)氧化生產(chǎn)哪？丙烯、丙醛共氧化生產(chǎn)環(huán)氧丙烷和丙酸丙醛易于氧化，空氣或純氧可將其氧化成過(guò)氧丙酸，而過(guò)氧化物不穩(wěn)定，易分解產(chǎn)生初生態(tài)的氧，初生態(tài)的氧氧化能力強(qiáng)，如接觸丙酸則會(huì)發(fā)生深度氧化反應(yīng)，降低產(chǎn)品收率。C2H5CHO+O2==C2H5COOOHC2H5COOOH==C2H5COOH+O共氧化則以丙烯的環(huán)氧化消耗初生氧，降低初生氧濃度，有利于丙酸收率。同時(shí)得到環(huán)氧產(chǎn)品。C2H5CHO+C3H6+O2==C2H5COOH+C3H6O綠色化工的基本原則匯總1、堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展的原則2、提倡在污染源頭防止污染產(chǎn)生3、化學(xué)反應(yīng)的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循“原子經(jīng)濟(jì)性”原則4、不用和不產(chǎn)生有害且有安全隱患的物質(zhì)和能源5、設(shè)計(jì)的產(chǎn)品不僅具有良好的功效和耐久性，還應(yīng)低毒無(wú)害和廢棄后易于降解為無(wú)害物質(zhì)。6、盡可能不使用助劑和溶劑，必要時(shí)應(yīng)采用無(wú)毒無(wú)害的溶劑和助劑7、合理使用和節(jié)省能源8、在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行的條件下，盡量利用可再生的資源和能源合成化學(xué)品。9、盡量避免不必要的衍生化步驟10、采用高選擇性的催化劑11、實(shí)施在線監(jiān)測(cè)分析，以有效控制有害物質(zhì)的形成或準(zhǔn)確掌握其排放量12、充分了解和研究生產(chǎn)過(guò)程中可能涉及的各種化學(xué)反應(yīng)的熱力學(xué)規(guī)律，盡可能避開(kāi)劇烈的放熱反應(yīng)，以保證生產(chǎn)安全13、應(yīng)綜合考慮可用能源的相互耦合14、應(yīng)考慮產(chǎn)品的服務(wù)功能結(jié)束后的性能和去向，最好能再利用15、強(qiáng)調(diào)“輸出”的牽引，而不是靠輸入物質(zhì)和能量的推動(dòng)16、集約化生產(chǎn)17、反應(yīng)之間的耦合技術(shù)第五節(jié)綠色化工過(guò)程的評(píng)估

綠色化工的定義比較抽象，如何判斷某一化工過(guò)程是否是綠色化工，就需要建立相應(yīng)的綠色化工過(guò)程的評(píng)估準(zhǔn)則。完整的綠色化學(xué)化工評(píng)估方法和理論的建立，是開(kāi)展綠色化工研究的基礎(chǔ)，是設(shè)計(jì)綠色化工工藝的必要條件，能減少綠色化工研究的盲目性，保證綠色化工的健康發(fā)展。一、綠色化工過(guò)程的評(píng)估方法按照可持續(xù)發(fā)展理論，綠色化學(xué)的評(píng)估就是如何評(píng)估化學(xué)化工過(guò)程的可持續(xù)性。為了評(píng)估一個(gè)化工工藝過(guò)程，需要有一套衡量可持續(xù)性的指標(biāo)或規(guī)則。在衡量可持續(xù)性時(shí)，必須注意如下兩個(gè)方面。一是評(píng)估原則；二是評(píng)估步驟。1、評(píng)估原則1）可持續(xù)發(fā)展是建立在生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)三個(gè)方面的。如果只著眼于生態(tài)的可持續(xù)性是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還必須考慮到生態(tài)發(fā)展對(duì)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的影響。經(jīng)過(guò)生態(tài)可持續(xù)性評(píng)價(jià)后還必須進(jìn)行經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展方面的評(píng)價(jià)。例如，在化學(xué)合成中，有毒有害的溶劑被無(wú)毒無(wú)害的溶劑取代，那么生態(tài)可持續(xù)性得以改善。但是，新溶劑比被取代的溶劑貴，那么經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性就變差。再進(jìn)一步考慮，如果有毒有害的溶劑的量大大減少，那么它的生產(chǎn)商必然減小生產(chǎn)規(guī)模，這將導(dǎo)致就業(yè)率降低，社會(huì)可持續(xù)性發(fā)展就變差。2）可持續(xù)性發(fā)展是強(qiáng)調(diào)整體，不僅僅是對(duì)生產(chǎn)的某個(gè)過(guò)程和步驟，而是在整個(gè)生命周期內(nèi)的可持續(xù)發(fā)展。

忽視對(duì)上游、下游產(chǎn)品和過(guò)程的重視，而只局限于一個(gè)小的過(guò)程，可以認(rèn)為是數(shù)據(jù)的不足和認(rèn)知的缺乏，所得結(jié)論不全面。因而，在闡述可持續(xù)性時(shí)，說(shuō)明所得到的結(jié)論是否通過(guò)一個(gè)全過(guò)程研究得到的是非常重要的。例如，如果所采用的低毒低害溶劑的生產(chǎn)步驟多，價(jià)格高，而且在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生了更多的有害廢物，消耗了更多的能量。那么僅以生產(chǎn)過(guò)程對(duì)環(huán)境的影響來(lái)看，可以說(shuō)是持續(xù)的，但從整體來(lái)說(shuō)就是不持續(xù)的。3）可持續(xù)發(fā)展具有地方性、區(qū)域性和全球性的特點(diǎn)可持續(xù)發(fā)展是為了滿足人類的可持續(xù)需求，但這些需求是有其地域差異的?；瘜W(xué)化工過(guò)程可持續(xù)性的評(píng)估方法包括定性和定量?jī)煞N?？沙掷m(xù)發(fā)展理論、綠色化學(xué)的各條原則是界定什么是綠色化學(xué)的重要理論基礎(chǔ)，根據(jù)這些理論和原則，人們可以依據(jù)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程制定那些潛在的可持續(xù)性的定性衡量標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)估新技術(shù)綠色程度的原則指標(biāo)。綠色化學(xué)定量評(píng)估中最具代表性的方法是生命周期評(píng)價(jià)方法（LCA）。它是對(duì)最初從地球上獲得原料開(kāi)始，到最終所有的殘留物返歸地球的整個(gè)生命周期中，任何一種產(chǎn)品和人類活動(dòng)所帶來(lái)的污染物排放及其對(duì)環(huán)境影響進(jìn)行評(píng)測(cè)的方法。這種方法實(shí)際上是對(duì)能量和物質(zhì)的利用及由此造成的環(huán)境影響進(jìn)行識(shí)別和評(píng)估。按照可持續(xù)發(fā)展的原則，要確定一個(gè)化合物是否是綠色的，要看化合物本身是否有毒有害，這個(gè)過(guò)程需要幾年、十幾年甚至幾十年的時(shí)間。生命周期評(píng)價(jià)方法需要大量的數(shù)據(jù)和信息。該方法還把除了產(chǎn)品和原料外的全部材料定義為廢物，但副產(chǎn)品可能有另外的用途，所以這種定義是不正確的。另一種定量評(píng)估的方法是框架結(jié)構(gòu)模型法。該方法將生態(tài)環(huán)境、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)性能綜合在一起，并依據(jù)生態(tài)環(huán)境，社會(huì)和經(jīng)濟(jì)績(jī)效有效地做出戰(zhàn)略決策。該框架方法提出了五個(gè)基本的衡量標(biāo)準(zhǔn)：原料強(qiáng)度、能量強(qiáng)度、水消耗、有毒物排放和污染物排放。這個(gè)框架方法將標(biāo)準(zhǔn)限定于有問(wèn)題的化學(xué)工藝，僅使用五個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)估工藝，所以非常實(shí)用。2、評(píng)估步驟通常情況下對(duì)一個(gè)化學(xué)化工過(guò)程進(jìn)行綠色化程度的評(píng)估至少有以下四個(gè)步驟：（1）化合物的鑒定這一步驟主要是提供工藝過(guò)程中所涉及的所有化合物的理化性質(zhì)、藥物學(xué)、藥理毒性等性質(zhì)。（2）制備過(guò)程的分析在進(jìn)行制備過(guò)程的分析時(shí)應(yīng)盡可能多的提供反應(yīng)的途徑，具體需做以下幾方面的工作。①化學(xué)反應(yīng)分析。確定反應(yīng)的機(jī)理，給出反應(yīng)過(guò)程中物質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化，可分離出的產(chǎn)物的信息，盡可能詳細(xì)地描述反應(yīng)過(guò)程，為選擇反應(yīng)路線提供依據(jù)。②產(chǎn)品的純化說(shuō)明。主要說(shuō)明如何得到純凈的合格產(chǎn)品。③工藝過(guò)程的描述。按照操作順序，對(duì)制備過(guò)程的各個(gè)操作步驟進(jìn)行排序，并對(duì)每個(gè)步驟中的原料和產(chǎn)品所處狀態(tài)及能量利用狀況進(jìn)行描述，以便分析復(fù)雜的工藝過(guò)程。④總產(chǎn)量的分析。計(jì)算生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)品的總產(chǎn)率，包括轉(zhuǎn)化率和選擇性，廢物的種類及數(shù)量。（3）對(duì)環(huán)境和社會(huì)影響的評(píng)估提供關(guān)鍵物質(zhì)和能量利用信息，包括溶劑和廢物的數(shù)量，正常情況下所需的能量，還要考慮反應(yīng)物的性質(zhì)以及廢物對(duì)環(huán)境和社會(huì)的潛在影響。（4）綜合評(píng)價(jià)對(duì)以上提出的問(wèn)題進(jìn)行綜合分析、比較，并兼顧對(duì)生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益及人類健康的影響，從而判斷出某一化工工藝過(guò)程的綠色化程度。二、綠色化學(xué)化工過(guò)程的評(píng)估指標(biāo)1、原子經(jīng)濟(jì)性原子經(jīng)濟(jì)性，又叫原子利用率，可表示為：原子利用率=目標(biāo)產(chǎn)物的相對(duì)分子質(zhì)量/反應(yīng)物的相對(duì)分子質(zhì)量總和原子經(jīng)濟(jì)性是衡量所有反應(yīng)物轉(zhuǎn)變?yōu)樽罱K產(chǎn)物的量度，如果全部轉(zhuǎn)化，則原子經(jīng)濟(jì)性為100%，原子經(jīng)濟(jì)性是綠色化學(xué)的重要指標(biāo)之一。通過(guò)對(duì)化學(xué)工藝過(guò)程的計(jì)量分析，合理設(shè)計(jì)反應(yīng)過(guò)程，以提高原子經(jīng)濟(jì)性，從而達(dá)到節(jié)省資源和能源，提高化工生產(chǎn)過(guò)程效率的目的。但是僅用原子經(jīng)濟(jì)性來(lái)考察化學(xué)反應(yīng)的綠色化程度過(guò)于簡(jiǎn)單、片面，還必須結(jié)合產(chǎn)率和選擇性這樣的指標(biāo)來(lái)進(jìn)行考核，只有原子經(jīng)濟(jì)性、選擇性和轉(zhuǎn)化率三個(gè)指標(biāo)都達(dá)到100%時(shí)，才可能是綠色化程度最高的綠色工藝過(guò)程。2、環(huán)境因子和環(huán)境指數(shù)環(huán)境因子是指每產(chǎn)出1千克目標(biāo)產(chǎn)物所產(chǎn)生的廢棄物的千克數(shù)，E因子=廢棄物總量（kg）/目標(biāo)產(chǎn)物量（kg）環(huán)境因子僅考慮廢棄物的量，而不是質(zhì)，將環(huán)境因子乘以一個(gè)對(duì)環(huán)境不友好因子（Q）得到的參數(shù)即為環(huán)境指數(shù)P。廢棄物毒性越大，不友好因子越大。因而，環(huán)境指數(shù)對(duì)判斷化工過(guò)程的綠色化程度才更有效。P=E因子Q3、質(zhì)量強(qiáng)度在實(shí)際生產(chǎn)中，為了促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行，常需要加入一定量的介質(zhì)、催化劑、助劑等，它們的流失和消耗必將增加產(chǎn)品成本和廢物的排放量。而原子經(jīng)濟(jì)性、選擇性、轉(zhuǎn)化率等指標(biāo)無(wú)法表達(dá)它們的綠色化程度，為全面評(píng)價(jià)化工過(guò)程的綠色化程度，引入質(zhì)量強(qiáng)度（MI）概念，即獲得單位質(zhì)量