2.1绿色化学原理

绿色化工技术 授课教师：xxx 模块二 化工绿色环保 §2.1 绿色化学原理 §2.2 化学反应绿色化途径 §2.3 污染物绿色化处理 2 绿色化学原理 2.1 3 原子经济性的概念 绿色化学以“原子经济反应”为中心。“原子经济反应”是原料中的每个原子进入产品，从而实现废物的零排放”，同时还包括可再生资源利用。使用无毒无害原料，无毒无害催化剂和溶剂；还要求生产环境友好产品，达到使用后回归自然或者重复利用的目的。 4 原子经济性的概念 5 原子经济性的概念 原子经济性的概念是1991年美国著名有机化学家 Trost出的，他以原子利用率衡量反应的原子经济性: 原子水平上看化学反应: 只有实现原料分子中的原子百分之百地转变成产物，才能实现废物“零排放(Zero emission) 原子利用率 6 原子经济性的概念 化工生产上常用的产率或收率： 传统宏观量上看化学反应 产率 7 CH2＝CH2 ＋ Cl2 ＋ H2O → ClCH2CH2OH ＋ HCl ClCH2CH2OH ＋ Ca(OH)2 ＋ HCl → C2H4O ＋ CaCl2 ＋ 2H2O 总包反应（总反应）为： C2H4 ＋ Cl2 ＋ Ca(OH)2 → C2H4O ＋ CaCl2 ＋ H2O 摩尔质量/(g/mol) 28 71 74 44 111 18 目标产物量/g 44 废物量/g 111 ＋ 18 ＝129 Eg 1: C2H4 ＋ O2 → C2H4O 摩尔质量/(g/mol) 28 16 44 目标产物量/g 44 废物量/g 0 Eg 2: C3H6 ＋ Cl2 ＋ Ca(OH)2 → C3H6O ＋ CaCl2 ＋ H2O 摩尔质量/(g/mol) 42 71 74 58 111 18 目标产物量/g 58 废物量/g 111 ＋ 18 ＝129 Eg 3: C3H6 ＋ H2O2 → C3H6O ＋ H2O 摩尔质量/(g/mol) 42 34 58 18 目标产物量/g 58 废物量/g 18 Eg 4: Eg 5: CH3COCH3 ＋ HCN → CH3C(CN)(OH)CH3 CH2＝C(CH3)COOCH3 ＋ NH4HSO4 总反应为： CH3COCH3 ＋HCN ＋CH3OH ＋H2SO4 → CH2＝C(CH3)COOCH3 ＋ NH4HSO4 摩尔质量/(g/mol) 58 27 32 98 100 115 目标产物量/g 100 废物量/g 115 CH3C≡CH ＋ CO ＋ MeOH MeCO2C(CH3)＝CH2 摩尔质量/(g/mol) 40 28 32 100 目标产物量/g 100 废物量/g 0 Eg 6: 原子经济性的概念 原子利用率越高，反应产生的废弃物越少，对环境造成的污染越少。 在一般的有机合成反应中： 主产物 副产物 反应产生的副产物D往往是废物，因此可成为环境的污染源。 14 原子经济性的概念 绿色合成应该是原子经济性的，即原料的原子100％转化成产物，不产生废弃物。 应使用产率和原子经济性两个概念，作为评估一个化学工艺过程的标准，才能实现更“绿色化”、更有效的化学合成反应。 15 原子经济性的概念 原子经济性 1.不断寻找新的反应途径来提 高合成反应过程的原子利用率 2.或对传统的化学反应过程不断提高反应的选择性 针对目前条件尚不可能将所有反应的原子经济性都提高到100％的现状，可从两方面努力，实现原子经济性 16 2.2 绿色化学的原则 绿色化学前且2条原则 • 绿色化学后12条原则 • 绿色化学工程技术12条原则（9条附加原则） 绿色化学的5R原则 1 2.2.1 绿色化学前12条原则 2 绿色化学前12条原则 （4） 设计较安全的化合物 （Designing Safer Chemicals）： Chemical products should be designed to achieve their desired function while minimizing their toxicity。 （5）使用较安全的溶剂与助剂（Safer Solvents and Auxiliaries）： The use of auxiliary substances (e.g., solvents and separation agents) should be made unnecessary wherever possible and innocuous when used。 （6）有节能效益的设计（Design for Energy Efficiency）：Energy requirements of chemical processes should be recognized for their environmental and economic impacts and should be minimized。 3 绿色化学前12条原则 4 绿色化学前12条原则 （8） 减少运用衍生物 （Reduce Derivativer）： Unnecessary derivatization (use of blocking groups, protection/deprotection, temporary modification of physical/chemical processes) should be minimized or avoided if possible, because such steps require additional reagents and can generate waste. （9） 催化反应（Catalysis）： Catalytic reagents (as selective as possible) are superior to stoichiometric reagents. 5 <实例> 7 绿色化学前12条原则 8 2.2.2 绿色化学后12条原则 （1）鉴别与量化副产物 （Identify and quantify by products）。 （2）报道转化率、选择性与生产率 （Report conversions，selectivies and productivities）。 （3）建立整个工艺的物料衡算 （Establish full mass-balance for process）。 （4）测定催化剂、溶剂在空气与废水中的损失 （Measure catalyst and solvent losses in air and aqueous effluent）。 9 绿色化学后12条原则 （5）研究基础的热化学 （Investigate basic thermochemistry）。 （6）估算传热与传质的极限 （Anticipate heat and mass transfer limitation） 。 （7）向化学或工艺工程师咨询 （Consult a chemical or process engineer）。 （8）考虑全过程中选择化学品与工艺的效益 （Consider effect of overall process on choice of chemistry）。 10 绿色化学后12条原则 11 2.2.3 绿色化学工程技术12条原则 12 绿色化学工程技术12条原则 13 一．产品和工程设计要采用系统分析方法，应将环境影响评价工具视 为工程的重要组成部分。 二．当设计保护人类健康和社会福利时要考虑如何保护和改善生态系 统。 三．在所有的工程活动中要有“生命周期”的思想。 四．要确保所有输入和输出的材料与能源是安全和环境友好的。 五．尽可能减少自然资源的消耗。 六．尽量避免产生废物。 七．所开发和实施的工程解决方案应符合当地的实际情况和要求，要 得到当地的地理和文化的认同。 八．对工艺的改进革新和发明要符合“可持续发展”的原则。 九．要使社会团体和资本占有者积极参与工程解决方案的设计和开发。 2.2.4 绿色化学的5R原则 15 1.简述原子经济性、原子利用率、产率的概念。 2.给定以下反应方程式：A + 2B → C + D，假设反应完全且产物中仅C为目标产物，D为副产物。若反应投料比为A:B = 1:2.2（过量B以确保A完全反应），计算该反应的原子利用率。 课后作业 $$