化学工程与工艺Word格式文档下载.docx

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第三章催化技术对绿色化学的影响………………………………..13

3.1绿色化学与催化的关系……………………………………….13

3.2催化剂的研究发展…………………………………………….14

3.3催化剂的研究进展…………………………………………….15

3.4催化剂的研究热点…………………………………………….16

第四章催化技术对绿色化学的影响.……………………………….19

4.1绿色化学与催化的关系……………………………………….19

4.2催化剂的研究进展…………………………………………….19

4.3催化剂的典型实例………………………………………….…21

4.4催化剂的研究热点…………………………………………….22

第五章现代化绿色化学工艺模式的应用及其愿景……………..…25

5.1绿色化学工艺模式的新型发展方向…………………………….25

5.2绿色化学工艺模式的优化……………………………….……..25

5.3绿色化学工艺的应用趋势……………………………………….27

结论……………………………………………………………………..28

谢词……………………………………………………………………..29

参考文献………………………………………………………………..30

前言

自改革开发以来，我国各工业产业进入了飞速发展阶段，工业的发展使我国能源和环境面临着严峻的挑战。

近几年，环境污染问题、能源消耗问题倍受关注，不可再生能源的保护，生活垃圾的处理、工业污染物的合理排放等问题已成为我国化工研究人员研究讨论的重点课题。

众所周知，在化工生产过程中，会产生大量的有害、有毒物质，这种物质如果不进行合理的处理，排放到大自然中，会严重影响生态平衡。

绿色化学工程是近几年提出的新型化工生产项目，其项目的发展目标是改善传统化学生产过程中资源浪费现象和环境污染现象。

本文针对绿色化学工程和工艺的发展问题，深入探讨绿色化学工程和工艺对化学工业节能的促进作用。

第一章绿色化学工业的概念

绿色化学又被称为无污染化学，以此为理念而开发出的技术

就是绿色化学工程技术，采用化学原理从根本上降低化学工业对环境造成的破坏。

化学工业发展的基础是绿色化学工程，它已成为了未来化学工业发展方向的重要研究目标之一，绿色化学具有以下两种性：

首先，绿色化学的根本思想在于保护环境，使自然资源可持续发展，让人与自然之间的关系和谐，人们对环境造成的破坏促使了对绿色化学的研究；

其次，绿色化学是将环境改变的技术，发展下的绿色化学技术以逐渐可以应付各种环境下对自然的破坏。

从根本上来说，绿色化学是预防环境污染；

而环境化学则是对污染后的环境进行改善和治理。

两者之间是根本不一样的，在最终目的上也是千差万别的。

目前，对绿色化学进行研究的重要发现和实践活动为绿色化工技术。

基本原理是采用原料中的原子进行转化，这就使化学工业在进行工作时不会产生污染物，达到对化学工业污染物的零排放。

并且，在进行化学工业工作时，不使用任何具有危害性和毒性的原材料，这样可以生产出对环境不造成破坏的产品。

这种技术目前处于理论状况，但是在众多科研人员的努力探索下，还是可以逐渐实现此种设想的[1]。

化学工艺的应用难免会造成对人与环境的危害，绿化化学工艺的应用，就是采取科学的技术手段，对威胁人类与环境有害的化学试剂、产物等进行治理，减少或者停止应用，其涉及到污

染源头的治理，保证化学工艺的安全性、环保性，让化学工艺的合成及其应用过程，实现与自然环境的协调，不再产生废物、有毒物质等，从而从根本上进行污染状况的解决。

从综合角度上来看，绿色化学工艺实现了化学科学基础知识的应用，通过对社会资源及其能源的利用，进行生产成本的控制，以维持社会的可持续发展的需要。

第二章对化学工业节能的促进作用

2.1绿色化学工程与工艺的发展

以传统化学工程技术来说，对造成环境污染的处理效果很低，并且治理的成本较高，从根本上无法根除化学工业带来的危害。

例如：

在清除尘埃等方面，虽然使气体得到有效处理，但是却将污染源变为残废物，并没有解决实际问题。

而绿色化学工程则是以“零排放，清洁生产”为基本原则，以化学反应方式，对化学污染采取了有效的防治措施。

2.1.1选择无害化学原料

对于化学产品来说，最根本的问题在于原料的选择，它是影响着化学生产过程和生产工艺重要原因之一。

绿色化学工程与工艺是以无毒无害的化学原料为基本原则，在化学工业生产的起始就进行了防治手段，并且，绿色化学工程与工艺采用可再生资源为开发原料，保证在化学工业生产过程中进行无污染操作。

2.1.2增强化学反应的选择

烃类选择氧化是一种放热性的化学反应，在石油加工过程中常常发生这类反应，但由于它具有不稳定性，容易产生氧气和二氧化碳。

所以，在化学反应中，一般情况下不会选择此种氧化反应，在部分情况下，生成物会产生异种结构，对于最终产品来说具有不利的影响，因此，采用选择性较强的原料，可以有效降低产品的生产难度，并使化学反应的选择性得到提高，而且，还能使生产成本降低，达到节约能源、减少污染排放的目的。

因此，开发此类化学工业反应是一项十分重要的研究[2]。

2.1.3不使用有毒有害的催化原料

在近些年，随着化学工业的发展，在化工生产过程中采用化学反应成为了当代工业发展的重要前提之一。

在进行化学反应前使用催化剂可以使反应的时间加快，因此，采用无毒无害的催化原料是绿色化学工程与工艺发展的重要因素之一。

在我国相关部门已展开对化学反应催化原料进行相关研究，开发出众多催化剂，例如分子筛除催化剂就是一种优良的催化原料。

2.2绿色化学工程与工艺在化学工业中的应用

2.2.1清洁生产的应用

在绿色化学工程技术中具有一项无毒无害无废弃的生产技术，称之为清洁生产。

此技术在目前生活中应用范围非常广，在城市垃圾处理、高效煤气技术、采用自然可循环能源技术等方面都有清洁生产技术的影子。

清洁生产包含了多种学术与技术，例如：

细胞工程学、生物工程技术、基因工程技术等；

在利用化学辐射工程技术中采用正常温度和压力的情况下，可以达到在高温和高压情况下产生的反应；

在绿色催化技术里，采用最新研制出的无毒无害催化剂，例如上文提到的：

分子筛除催化剂等，都可以达到防燃、无毒无害的作用。

2.2.2与生物技术相结合的应用

生物技术领域是由细胞、基因等多种技术构成的，在化学工业中的应用主要在于生物学化工和化学仿生技术。

在绿色化学工程与工艺中采取部分生物技术进行化学合成，例如：

使用的有机化合物采用的是动植物原料，在随后逐渐发展了采用石油和煤等为原料。

在绿色化学工程中，催化原料一般是由自然界中的酶和人工生产的工业酶来进行催化的。

酶和别的化学催化原料相比，具有无毒无害、性质优良的特点，可以有效的使化学产品的能源消耗降低，并且没有副作用[3]。

2.3绿色化学工程与工艺的开发

传统化学生产过程对有害、有毒物质的处理具有严重的滞后性，这种滞后性会将化学工艺带入被动的生产状态下，所以这种化学工艺对污染物质的处理效果非常差，无法达到资源优化目的，不仅提高了化工污染物处理工程的成本，还降低了污染物处理的效率。

绿色化学工程可以有效的解决传统化学工程污染物处理的相关问题，利用先进科学技术，对化工生产产生的污染物进行脱硫、除尘处理，其具体实施方法如下[1]。

2.3.1采用绿色化学原料

化学生产原料是决定化学生产流程和工艺的主要因素，传统化学工程采用的绿色原料大多为不可再生能源，选取这种化学材料，不仅增大了我国不可再生能源的消耗量，同时也增加了化学生产污染物质的排放量，所以采用绿色化学原料是绿色化学工程重点研发项目，选用可再生、无污染的化学原料，如自然物质、绿色化学物质等。

苞米杆、芦苇、纤维植物等农副产品废弃物，这些物质是典型的绿色化学原料，将其投入到化工生产中，可以转化成醇、酮、酸类的化学品，在转化过程中，这些化学原料只会产生氢气，不会产生任何有毒、有害物质[2]。

2.3.2提高化学反应的选择性

化学反应是化学工程物质反应的重要组成部分，化学原料通过化学反应，产生相应的化学品，合理、有效的选择化学反应途径，对提高化学工程的生产效率和生产质量具有重要影响意义。

影响化学反应的因素有很多，反应环境、反应原料、反应时间、反应特点等。

氧化反应是化学工业中常用的一种反应形式，因为氧化反应过程中会产生大量的热，化学原料会因为热催化出现反应变质现象，从而导致化学品生产质量低下。

烃类氧化反应是新型反应形式，此反应一般不仅可以提高催化物反应催化能力，还能增加生产物的同分异构反应时间。

2.4绿色化学工程与工艺对化学工业节能的促进作用

目前，绿色化学工程和工艺在我国各工业产业应用范围十分广泛，其工程的综合应用性能不仅促进了化学工程和工艺的节能减排，还优化了我国化工生产的产业链结构，具体应用实例如下。

2.4.1清洁生产技术的应用

清洁生产技术是绿色技术，通过对化工原料进行无毒、无害、无废处理，增加其原料利用率的同时，提高化学工程的生产质量。

脱硝技术和脱硫技术是清洁生产技术的重要组成部分，对污染严重的生活垃圾极性“绿色处理”，可以有效的将生活垃圾转化为沼气。

利用自然发电技术取代传统不可再生能源发电技术，风能、太阳能的利用和开发，标志着清洁生产技术已经进入了飞速发展的阶段。

清洁生产技术能源在生物工程中应用，可以提高细胞工程、基因工程的发展效果，清洁生产技术能源应用在辐射加工领域中，可以使催化剂的催化作用大大增强[3]。

2.4.2生物技术的应用

生物技术在化工工业中的应用，主要表现在以下几个方面：

①生物化工，生物酶在生物体内是一个高效的催化酶，并且这种生物酶的催化性能非常好，具有很强的专一性，应用生物酶不仅可以增加生物酶反应效率，还能提升反应质量，所以生物技术可以应用在各种生物酶反应中；

②化学工程，将生物技术引入绿色化学工程与工艺中，将可再生能源转化成化学品，对提高绿色化学工程的应用性能具有重要影响意义，生物技术应用的原料大多来自于自然，这种原料的反应效果和催化作用远远高于一般工业原料，并且其应用性能也非常好，反应产生的污染物很少，具有良好的无污染性、高效性、节能性[4]。

第三章催化技术对绿色化学的影响

绿色化学又称环境友好化学，它是在化学产品的设计、制造和用过程中运用一套原理和理论来减少或者消除对有害物质的生产和利用的一门学科。

绿色化学工艺的目标是用化学的技术和手段去减少或消除那些对人类健康有害的原料、产物、副产物、溶剂和试剂等的产生或应用。

催化技术是绿色化学工艺研究及应用的重要手段，简要介绍了绿色化学与催化的关系、催化剂的研究进展及典型实例，并列举了几种新型绿色催化剂，详细分析了其环境友好特性。

3.1绿色化学与催化的关系

20世纪末从环境战略角度提出的绿色化学工艺正适应了这一趋势，“绿色化学”又称为“环境友好化学”。

它的特点是不污染环境。

核心是对人、动物无毒害性的前提下，还能够被环境自然消化、分解、吸收，并且其最终分解产物与天然物质相当，也不污染环境，不破坏自然生态平衡，能够融入自然循环中［1］。

要达到化工的绿色化，根本手段之一是催化技术，包括生物催化。

没有催化，绿色化的目标将很难实现。

许多工艺的革新，最主要的工作是争取在催化剂上有所突破，寻找到高效专一的催化剂。

许多传统合成工艺的改进，开辟新的合成路线，都是催化剂的功劳。

催化剂能在化学工艺的绿色化进程中起重要的作用，这已被许多绿色化学工艺的开发所证明［2］，因此，催化是化学工业的基石，化学工业上的重大变革和技术进步大多都是因为新的催化材料或新的催化技术的产生。

显然，催化在发展一门对环境友好、造福于人类的绿色化学与技术的学科中将起到关键的作用。

3.2催化剂的研究发展

催化剂和催化过程对于精细化学品的生产过程的革新改进作用十分显著。

它往往能够大大提高产品效率，简化生产步骤，还能够除掉与转化不希望的有毒的副产品，从而可以更环境友好地更便宜地进行生产。

这里介绍几种有影响的催化新技术。

3.2.1酸催化反应及催化剂

酸催化反应和酸催化剂是烃类裂解、重整、异构等石油炼制以及包括烯烃水合、芳烃烷基化、醇酸酯化等石油化工在内的一系列重要工业的基础。

从研究的发展历史看，最早是从硫酸、磷酸、三氯化铝等一些无机酸类为催化剂开始的。

目前仍有许多工业过程采用这些无机酸，如苯的烷基化（制乙苯、异丙苯）采用AlCl3作催化剂、醇酸酯化采用浓H2SO4作催化剂等等，这些过程存在设备腐蚀严重、产物与催化剂分离困难及大量废酸产生的问题。

固体酸催化剂的问世是酸催化研究的一大转折，这不仅可进行多相反应解决均相反应带来的问题，而且由于可在高达700～800K温度范围内使用，大大扩大了热力学上可能进行的酸催化反应的应用范围。

目前已有一批固体酸用于酸催化，其固体酸有混合氧化物如Al2O3－SiO2）、杂多酸、超强酸（SbF5/SoO2－ZrO2，ZrO2－SO4等）、沸石分子筛、金属磷酸盐硫酸盐、离子交换树脂等。

3.2.2氧化催化及催化剂

如晶格氧选择氧化，可避免气相氧对烃类分子的深度氧化，提高目标产物选择性。

再如，TS－1分子筛H2O2氧化，TS－1分子筛法具有独特的性能，反应条件温和;

氧源安全易得;

选择性高，副反应少;

过程清洁，副产品为O2和H2O2。

3.2.3羰化催化及催化剂

羰化不仅可增加碳原子合成新的含氧化合物，而且也是利用C1能源的极有价值的一类反应。

羰化包括氢甲酰化反应都属于绿色化学中提倡的原子经济性反应。

如水溶性均相氢甲酰化催化和非铑非

卤素体系的气相羰基化。

3.3催化剂的研究进展

为实施绿色化学原则，新型催化剂的利用在实现绿色化工生产中起着十分关键的作用，以下举一些典型实例说明。

3.3.1甲醇氧化羰基化制碳酸二甲酯

碳酸二甲酯是重要的甲基化试剂，可以代替氯甲烷、硫酸二甲酯等，使用时没有有机副产物和盐类生成，但是它的传统合成方法需要使用光气做原料，新的合成路线使用沸石、碳酸钾等环境友好的催化剂，以甲醇和一氧化碳进行氧化羰基化反应，不用光气原料，无废弃物，也彻底防止了意外事故的发生。

3.3.2铁催化剂过氧化氢体系漂白纸浆

在造纸工业中，经常使用氯作为氧化剂来漂白纸浆，它会产生大量含氯有机物，新型的铁催化剂过氧化氢体系，可以做到无氯漂白纸浆，在0℃～90℃对木质素选择性极好，既无废物，也较少产生有毒物质，氧化剂使用安全，很有应用前景。

3.3.3止痛药布洛芬（Brufen，Ibuprofen）合成

传统的合成方法包括六步化学反应，原子利用率在40%以下，而BHC公司开发的方法只有三步反应，采用氟化氢为催化剂和溶剂，原子利用率达到80%，乙酸可以99%回收，溶剂可以99.9%回收。

3.3.4MobilBadger法工艺生产异丙苯

传统方法使用的烷基化催化剂为固体磷酸或者三氯化铝，均有腐蚀性，产生大量有害废物，飞马石油公司新的MobilBadger法工艺是环境惰性的，它采用改性沸石催化剂，无腐蚀性，产物收率很高，废物很少，能耗很小，目前已工业化。

3.3.5贝克氏酵母催化Baeyer－Villiger反应

Baeyer－Villiger反应是将酮转化为内酯的反应，原来使用的催化剂是间氯代过氧化苯甲酸（mCPBA），震动敏感，容易爆炸。

使用基因工程化的贝克氏酵母（一种安全的非病原组织）作催化剂后，可以用大气中的氧进行生物催化氧化，该反应在水介质中操作。

水是唯一副产物，从根本上杜绝了事故的发生。

3.4催化剂的研究热点

在绿色化学与催化当前课题的研究中，有一些热点很值得关注，例如仿酶催化、半导体光催化及光电催化、纳米催化等。

在这里简单介绍一下。

3.4.1仿酶催化合成反应

酶催化反应的特点是高效、专一及条件温和，但天然酶来源有限、难于纯制、敏感易变，实际应用尚有不少困难［3］。

当代化学与仿生科技领域的重要课题之一便是开发具有与酶功能相似甚至更优越的人工酶。

模拟酶，就是从天然酶中拣选出起主导作用的一些因素，如:

活性中心结构、疏水微环境、与底物的多种非共价键相互作用及其协同效应等，用以设计合成既能表现酶的优异功能又比酶简单、稳定得多的非蛋白质分子或分子集合体，模拟酶对底物的识别、结合及催化作用，开发具有绿色化学特点的一些新合成反应或方法。

3.4.2非均相光催化氧化有机物技术

以半导体材料作为光催化剂的非均相光催化氧化有机物技术，以其特有的强氧化能力，可将许多化学法、生物法无法氧化的有机物，完全矿化为CO2、H2O及相应的无机酸，而不造成二次污染。

非均相

光催化氧化反应的光催化剂多为硫族半导体，而TiO2以其成本低、难溶、无毒及催化活性好而被广泛的用作光催化剂［4］。

3.4.3纳米催化剂治理环境污染

纳米催化剂有两种类型:

一是金属（或氧化物）纳米粒子催化剂，主要以贵金属为主，例如铂、钯、铑、银。

非贵金属还有镍、铁、钴等。

第二种是以金属氧化物为载体（氧化铝、氧化硅分子筛等）把粒径为1～10um的金属（或氧化物）粒子，分散到这种多孔的衬底上然后通过活性等手段，与载体综合形成表面负载型催化剂，对于不同的化学反应历程，用不同类型的纳米材料催化剂。

用纳米催化剂可提高催化反应的速度、活性及选择性。

例如随着空气污染问题的日益突出和汽车数量的迅速增加，汽车排放的废气已成为城市大气环境污染的主要污染源之一。

汽车尾气中的污染物主要有CxHy，CO，NOx

等，占大气总污染物的60%以上，对环境和人类健康造成非常大的危害。

采用纳米技术，通过细化晶粒，制备出纳米晶结构的汽车尾气净化催化材料，对汽车尾气的净化有非常显著的催化效果［5］。

另外，在废水处理中，新近报道有纳米与超声相结合的纳米TiO2催化超声

降解技术的应用。

第四章催化技术对绿色化学的影响

4.1绿色化学与催化的关系

4.2催化剂的研究进展

4.2.1酸催化反应及催化剂

目前已有一批固体酸用于酸催化，其固体酸有混合氧化物（如Al2O3－SiO2）、杂多酸、超强酸（SbF5/SoO2－ZrO2，ZrO2－SO4等）、沸石分子筛、金属磷酸盐硫酸盐、离子交换树脂等。

4.2.2氧化催化及催化剂

4.2.3羰化催化及催化剂

如水溶性均相氢甲酰化催化和非铑非卤素体系的气相羰基化。

4.3催化剂的典型实例

4.3.1甲醇氧化羰基化制碳酸二甲酯

4.3.2铁催化剂过氧化氢体系漂白纸浆

4.3.3止痛药布洛芬（Brufen，Ibuprofen）合成

4.3.4MobilBadger法工艺生产异丙苯

4.3.5贝克氏酵母催化Baeyer－Villiger反应

Baeyer－Villiger反