试论绿色化学工艺的开发与应用
2016-03-16初小宇张宏坤姜涛王鑫杜宇虹黑龙江东方学院黑龙江哈尔滨150060
初小宇 张宏坤 姜涛 王鑫 杜宇虹黑龙江东方学院 黑龙江哈尔滨 150060
试论绿色化学工艺的开发与应用
初小宇 张宏坤 姜涛 王鑫 杜宇虹
黑龙江东方学院 黑龙江哈尔滨 150060
随着经济日益增长,生活水平不断提高的同时,人类出现了一个更重要的问题,就是环境污染。在环境污染上,其中化学工业的污染更为突出。对于化学工业怎样趋于绿色化,已成为工业发展的前沿技术,开发与应用绿色化学工艺、减少化学污染对生态和环境的可持续发展具有深远意义。
绿色化学工艺;开发;应用
传统的化学工艺主要是以快速、最大生产、产生经济效益为目的,导致环境污染十分严重,造成很多城市的雾霾天气,使得人们的生活环境质量也越来越差,其主要原因就是工业废气的无节制排放,面对这种问题,绿色化学工艺成为着力研究的项目,通过对其研究,来改善化学反应过程、控制产生的有害物质,保护生态环境、优化工业技术。
一、绿色化学工艺的开发
“绿色科技”的理念被提出是在1992年的联合国环境与发展大会上,指出:对环境污染不再是以往的局限于治理,而是要对其过程有效地控制,从源头出发,杜绝污染。
绿色化学是对传统化学的更新和发展,同时也是对传统的化学的一个大挑战,传统化学对环境的污染和对人体的健康的威胁可能从最开始选的原料到最后的产品发的整个过程。那么绿色化学的开发研究要也要从反应原料、反应溶剂、催化剂和开发绿色产品等角度着手。
1.采用无毒无害的原料
在化工生产过程中,原材料的选择直接影响到后续生产过程和方法。为使得制得的中间体具有一定的官能团和反应性,还有很多化学工业生产的原料使用有毒有害的。过去氨基二乙酸钠制备的过程中,原料是有毒的光气和氢氰酸,由Monsanto公司开发了通过二乙醇胺为原料,催化脱氢的作用下,合成氨基二乙酸钠的新工艺,改变了以前的合成路线,并避免使用剧毒的氢氰酸和其他原材料,环境危害小。
在生产橡胶防降解剂化学品中会合成4-ADPA中间体,在这个过程中,开发了一个环境友好路线,代替以往的氯化反应,既减少了废物的排放,同时也消除了大量有毒氯气的储存、使用和处理。
防止源头环境污染,我们应当选择可再生的一些农作物或者野生植物等作为原料。可以把农作物废物的秸秆、稻草、木屑等加工成醇、酸、酮类的化学品。
2.采用无毒无害的溶剂
在化工生产中,会用到各类的化学溶剂,水是无毒无害的溶剂,而且最为廉价,但对化工生产中的有机物溶解能力差,不适合作有机化工中的溶剂,目前还是大量的化学试剂,其中很多都是危险的化学溶剂,包括毒性、易燃、易爆,还有很多是致癌物质,具有很强的挥发性,对人的健康和环境造成的影响很大。在过去,有很多有机卤化物如氯甲烷、氯仿和四氯化碳等具有良好的溶解度,而被大量用作溶剂,但其中一些剧毒和难降解的,对水环境和人类健康造成严重的损害。
目前,无毒无害溶剂的开发研究中,最为活跃的是超临界流体,超临界CO2流体具有液体的密度,气体的粘度,使用超临界流体二氧化碳作为溶剂,无毒、无害、安全环保,是取代传统挥发性有机溶剂和添加剂的理想替代品。作为表面清洁剂替代氯化物清洁剂,泡沫发泡剂、油漆喷雾,很多已经应用于工业生产。除了超临界二氧化碳,水是一种更理想的无毒无害的溶剂,近年来发展的超临界水的研究正在进行中。
3.采用无毒无害的催化剂
目前实现了的工业生产的化学反应90%以上的需要加入催化剂,来提高反应速率,合理选择和应用的催化剂是一个化学反应过程是关键技术之一。目前常用于烷基化反应的是氢氟酸和硫酸等催化剂,对设备腐蚀严重,与此同时,废液废渣污染环境,危害人类健康。多年来国内外对分子筛、超强酸、多酸等催化物质的研究有了一定的发展,开发了固相烷基化催化剂,乙苯液相烷基化技术,使用的催化剂是一种新型分子筛催化剂,催化剂选择性很高,提高乙苯的效率。
在生产邻苯二酚过程中,采用酶E.Coli作催化剂,将葡萄糖活化,然后可以定向的转化为邻苯二酚。这种工艺可以有效的避免了使用有毒有害原料和试剂,也不产生过多的废弃物,对环境也没有危害,所以用生物酶作为催化剂代替传统的化学催化剂是个很好的绿色化学工艺方向。
4.提高反应的选择性
在石油化工中大部分的反应都是烃类选择性氧化反应,而形成的产物都是一些不稳定的中间体,这些中间体会很容易的被进一步氧化,其催化反应选择性是同类反应中最低的,还有一些产品会产生一些异构体形式,想要获得更多目的产品,就需要使用选择性高的试剂。提高反应的选择性,不仅要依据烃类反应特点,还要能够节约资源、减少对环境的危害、还要降低生产的成本,而且最后产品的处理包括分离、提纯的难度也不要太大。所以现在开发绿色工艺基于根据不同的氧化反应,开发新型的催化剂;还有一种是基于催化剂使用时的反应特点,研发对应的生产工艺。
生产苯乙烯最广泛使用的生产方法是乙苯脱氢,目前已有企业,开发了以丁二烯为原料来生产苯乙烯,代替乙苯脱氢生产苯乙烯,可以使其内部中间产物的转化率为90%以上,并且使用的催化剂将中间体氧化为苯乙烯单体的选择型超过了92%。Mobil公司开发的甲苯歧化工艺,利用新的硅改性催化剂,使得对二甲苯的选择型高达98%。
5.开发“原子经济”反应
所谓的“原子经济”反应指的是反应物中所有的原子均全部转化为产物中的原子,体现100%的选择性,用于衡量袁总转化率的大小。实际上,原料的利用潜力及其对环境的影响,与化学反应的类型相关,有一些反应就没有杂物的产生,例如,重排反应与加成反应,就没有副反应和废物产生,所有的反应物均转换成最终产物,具有很强的的原子经济性。“原子经济”反应是绿色化学工艺首选的反应类型,且反应的实现还与新型催化剂的应用密切相关。某些有机产品的生产,如甲醇碳化制醋酸、丙烯腈甲酰化丁醛、己二腈合成、乙烯氧化生产环氧乙烷等,这些反应都是“原子经济”反应。而且现在很多的反应,已然能在原子水平上进行化学品的合成,使得反应更绿色化。
二、绿色化学工艺的应用
1.绿色化技术的应用
绿色化技术也就是清洁生产技术,体现在无毒无害,没有废物的产生,生产过程对人体没有危害。现在的绿色化技术主要有,清洁的煤气化技术;利用风能、水能、太阳能等技术发电;生物制造沼气技术;生活垃圾分类无害化处理以及目前的脱硫、脱碳技术等都是典型的绿色化技术。
在工程技术上比较显著的还有辐射加工技术、生物工程技术、超临界流体技术等绿色化技术,应用清洁生产技术去获得产品,不但产品为绿色化,而且从产品设计到生产过程对环境和人体没有危害。
2.生物工程技术的应用
生物工程技术主要包括细胞、基因、酶、微生物等绿色科技、为了实现工业生产的绿色化,很多化学工业将生物技术应用在化工生产。酶催化剂在化工生产中使用已经很广泛了,它具有良好的选择性、无毒无害、具有广阔的应用前景的生物合成物质。生物技术合成的化学物质来大都来自可再生资源,是绿色化学技术发展方向之一。早期化学材料大多是来自可再生植物、动物,后来发展石油和煤炭等不可再生资源为原料,对环境和人类健康造成巨大威胁,生物化学反应技术可以利用酶作为催化剂,以生物质为原料生产有机化合物,可以缓解矿产资源耗竭的压力,也可以减少对环境的损害。例如利用酶催化剂制备丙烯酰胺,丙烯腈反应完全,没有副产物。
合成洗涤剂中三聚磷酸钠在使用过程中具有很好的作用,它是比较理想的助剂,洗涤剂中加入这种物质可以大大的提高了洗涤效果,但是磷洗涤剂对富养化有一定推进作用。酶作为一种生物制品无毒并能完全降解,对环境无污染,同时对人体没有健康威胁。近年来开发的包裹技术、保护剂技术、微胶囊技术,进一步提高了酶对人体的安全性和酶活力的稳定性。酶的作用越来越得到广泛关注,已然发展与表面活性剂、助剂等具有同等的作用,并且对环境没有污染,是合成产品绿色化。
3.生产绿色产品
绿色产品指的就是环境友好型产品,目前有很多典型的例子,例如能够取代氟氯昂的化学产品,可以保护大气臭氧层;防止白色污染的生物降解塑料;植物杀虫剂,清洁汽油等。日常生活中使用的聚苯乙烯发泡塑料餐盒,使用后成为垃圾,而且需要很久的时间才能降解,对环境带来严重中污染。为了加速它降解,在生产时可以加入光敏剂,化学助剂等,餐盒使用后几个月内就可以完全降解成无害物质。
目前的化妆品种类繁多,主要的产品都是从天然的原料,例如从植物提取有效成分,利用生物技术生产和制造化妆品。天然绿色生物材料甲壳素/甲壳胺的降解形成甲壳低聚糖,具有独特的生理活性,把它合成化妆品对皮肤毛发具有很好的效果,而且无公害,不污染环境。
现在医学用化学品相对也是较多,它的要求比工业上的更为高级,将绿色化学工艺技术应用于医药上也是一种新型的、而且很重要的发展方向。
结论
国家乃至全球已经对环境问题相当重视,就需要大力开发和应用化学工艺,目前已成为化学工业的大趋势,要采用无毒无害的原料、采用无毒无害的溶剂等绿色工艺,只有将绿色化学工艺全面取代传统工艺,才可以使化学工业走上可持续发展道路。
[1] 王瑾. 绿色化学工艺的开发与应用[J]. 贵州化工, 2007, 32(4): 31-34.
[2] 仲崇立. 绿色化学导论[M]. 北京:化学工业出版社, 2000. 3-5,109-123.
[3] 梁红涛.最新化工生产工艺设计与化工产品检测技术手册[S].银声音像出版社, 2004, 52~61, 1522~1532.
[4] 龚涛,赖闻玲.化学发展的新趋势绿色化学[J].南昌高专学报, 2001,(3).
[5] 朱明乔,谢方友,吴廷华.绿色化学与技术在化学工业中的应用[J].化工生产与技术, 2002, (4).
[6] 王艳. 微生物遗传学对农业发展的影响[J]. 科技与企业, 2006, (10): 158.
Tentative Study on the Green Chemical Technology Development and Application
Chu Xiaoyu; Zhang Hongkun; Jiang tao;Wang Xin;Du Yuhong,East University of Heilongjiang,Heilongjiang Harbin,150060
With the increasing economic growth, at the same time, rising living standards, the human face with a more important question, is the pollution of the environment. On the pollution of the environment, chemical industrial pollution is more outstanding. For how to tend to be more green chemical industry, has become the forefront of the industry development technology, development and application of green chemical technology, reduce chemical pollution on the sustainable development of ecology and environment has profound signif cance.
green chemical technology;Development;application
T
A
初小宇(1987~),男,汉,哈尔滨黑龙江东方学院,助教,研究方向:化学工艺。