毕业设计(论文)--绿色化工的发展与展望.docx
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论文题目编号2012321304
毕 业 论 文
(2016届本科)
题 目:
绿色化工的发展与展望
专 业:
化工工程与工艺(石油化工方向)
学 院:
化学化工学院
班 级:
2012级化工(3)班
作者姓名:
指导教师:
职称:
助教
完成日期:
2016 年 5 月 13 日
I
陇东学院本科生毕业论文(设计)诚信声明
本人郑重声明:
所呈交的本科毕业论文(设计),是本人在指导老师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果,成果不存在知识产权争议,除文中已经注明引用的内容外,本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
作者签名:
二〇一六 年 月
目 录
III
摘要:
1
1绪论 1
1.1化工发展中带来的困扰 2
1.1.1化工发展中对人类的直接危害 2
1.1.2化工发展造成的环境危机 2
1.2人类早期对待废弃物的对策 2
1.3污染治理的三个阶段 3
1.4人类为治理化工污染付出的代价 3
2绿色化学与绿色化工 3
2.1绿色化学 4
2.1.1绿色化学的发展 4
2.1.2绿色化学的原则和核心 6
2.2绿色化工 7
2.3绿色化工与可持续发展 9
3化学化工绿色化 10
3.1化学反应绿色化 10
3.1.1原料绿色化 10
3.1.2绿色溶剂 11
3.1.3绿色催化剂 12
3.1.4绿色化学品 13
3.1.5绿色材料 14
3.1.6绿色能源 17
3.2合成技术绿色化 18
3.2.1生物技术 18
3.2.2催化技术 21
3.2.3膜技术 21
3.2.4高级氧化技术 22
3.2.5微波技术 23
3.2.6超声波技术 23
3.2.7等离子体技术 24
3.2.8高能辐射加工技术 25
3.2.9超临界流体技术 26
3.3生产过程绿色化 26
3.3.1微化工技术 26
3.3.2超重力技术 27
3.3.3磁稳定床技术 27
3.3.4撞击流技术 27
4绿色化工产业园区 28
4.1化工园区 28
4.1.1化工园区的特点 29
4.1.2我国化工园区存在的问题 29
4.1.3化工园区的发展方向 29
4.1.4化工园区的绿色环保对策 30
5绿色化工发展方向的展望 30
5.1从人类未开发的区域获取资源和能源 30
5.2向太空放逐不可恢复污染物或者将工厂建到行星上 31
5.3加强全人类的绿色化工意识教育 31
6参考文献 31
致 谢 33
绿色化工的发展与展望
霍双才,王丽朋
(陇东学院化学化工学院,甘肃庆阳745000)
摘要:
随着社会发展速度的加快,传统化工的高能耗、高排放、高污染对人类和环境造成了巨大的负担,从事化工事业的学习工作者也不断受到人们的质疑,为改变现状,发展节能环保无污染的绿色化学化工和普及绿色化学思想已成为目前势在必行的趋势潮流。
由此,本文首先从绿色化工的发展角度出发,在详细阐述了化学工业中的产品原料、合成方法、生产过程的绿色化后,接着对化工园区的现状做出简单介绍和分析,最后对绿色化工的发展方向作了初步展望。
关键词:
绿色化学化工、污染治理、绿色化工技术、化工园区
Developmengt andProspectonGreenChemicalInustrry
HUOShungcai,WANGLipeng
(CollegeofChemistryandChemicalEngineering,LongdongUniversity,Qingyang,Gansu745000)
Abstract:
Withthespeedingupofthesocialdevelopment,thetraditionalchemicalindustryofhighenergyconsumption,highemission,highpollutiontohumanandenvironmentcausedgreatburden,engagedinchemicalindustryenterprise'sworkers,hasbeenquestionedbythepeople,andlearningtochangethestatusquo,developmentofenergyconservation,environmentalprotectionandpopularizegreenpollution-
freegreenchemicalengineeringchemistrythoughthasbecomeaninevitabletrendtrendatpresent.Asaresult,thisarticlefirstfromtheperspectiveofthedevelopmentofgreenchemicalindustry,indetailelaboratedthechemicalindustryrawmaterials,synthesismethodsandproductionprocessofgreening,thenmakeasimpleintroductionandanalysisaboutthepresentsituationofchemicalindustrypark,finallyhascarriedonthepreliminaryoutlookaboutgreenchemicalindustrydevelopmentdirection.
Keywords:
greenchemistryandchemicalindustry,pollutioncontrol,greenchemicaltechnology,chemicalindustrypark
1绪论
自化学工业产生以来,其为人类的进步和发展做出了不可磨灭的贡献。
新药品直
35
接提高医疗条件,降低了人类死亡率;农药的产生保障了粮食高产量,为人类生存解决后顾之忧;塑料产品和合成纤维提升了人类生活质量;合成染色剂丰富了人类生活色彩;石油产品更是为人类带来数不清的贡献。
但是,由于人类对化学品本身和其生产过程具有隐蔽性和持续性的危害认识不足,滥用化学品和盲目发展为人类造成了不可胜数的麻烦。
随着工业化进程的加快,大量排放的工业污染物以及化工产品的使用过程和残留物造成的污染,使人类面临着日益严重的资源环境危机。
为此,人类在自食苦果后又不得不继续在环境治理上付出沉重的代价。
1.1化工发展中带来的困扰
化工污染都具有范围广、群害性、持久性,和难消除等特点。
1.1.1化工发展中对人类的直接危害
由于对化工危害的认识不足,一些突发的意外事件对人类造成的伤害往往是损失惨重,令人猝不及防。
例如化工污染导致的八大公害事件:
马斯河谷事件,多诺拉事件,洛杉矶光化学烟雾事件,伦敦烟雾事件,四日市哮喘事件,米糠油事件,水俣病事件,骨痛病事件[1]。
1.1.2化工发展造成的环境危机
由于化工污染对环境造成的危害显现具有隐蔽性、滞后性和广范围持久性,使其治理变得更加困难重重,例如全球十大环境危机:
(1)大气污染
(2)臭氧层破坏(3)全球变暖(4)海洋污染(5)淡水资源紧张和污染(6)土地沙化(7)森林锐减(8)生物多样
性减少(9)酸雨成灾(10)有毒的化学品和危险废物。
1.2人类早期对待废弃物的对策
生活垃圾是伴随着人类的社会生活而产生的,它无法被杜绝,伴随着社会的进步,人类对待废物的方法也在不断进步着。
然而,人类最初形成的习惯方法始终未曾消失。
(1)随意抛弃法:
人类社会早期,由于人口密度小,生活水平相对低下,精神文明程度不高,垃圾少而且易分解。
故当时人类对垃圾处理采取随意抛弃的方式;
(2)深埋或遥远抛弃法:
随着人类社会的进步,随意抛弃的垃圾已为人们所憎恶,故此人们将垃圾深埋或运到遥远的荒郊野岭抛弃;
(3)异国他乡抛弃:
此法是第二种方法的延续,甚至成为一种“侵略方法”。
目
前这种行为已成为严重的国际矛盾,许多发展中国家都在大力抵制这种“侵略”;
(4)末端处理法:
即生产过程或产品出现了污染,然后进行处理,如同脚痛医,头痛医头般,治标不治本[2]。
1.3污染治理的三个阶段
化工为人们带来新生活的同时,也带来了一系列有关环境新问题。
纵观世界环境治理史,一般来说共经历了三个发展阶段。
最早可以追溯至20世纪中期。
由于人们对一些化学物质的危害性等还不了解,而且对废水、废气、废渣的排放也没有明确的立法限制,所以人类普遍的做法把三废稀释后直接排放,此阶段的环保对策可以称为
“稀释废物防治环境污染”。
进入了第二阶段后,随着人们对化学品对环境危害性的的深人了解,制定了一系列环境法规,开始限制废物排放量和浓度,此阶段的环保对策就步入了“管制与控制”时代。
由于环保法规的日益严格,化工企业对一些废水、废气和废渣不得不进行相应的后处理才可排放,为此就开发了一系列三废后处理技术。
1990年,美国通过了《污染防治条例》LthePollutionPreventionAct(PPA)],环保治理进从此就进人了第三个阶段。
PPA是美国全国环境保护政策,宣称环境保护首选对策是从源头防止废物的生成,如此就可避免对化学废物的进一步处理与控制[3]。
1.4人类为治理化工污染付出的代价
1990年,美国在用于三废污染治理费用为1200亿美元,占GNP的2.8%。
1992年美国化学工业用于环保的费用高达1150亿美元,用于清理已污染区域的费用7000亿美元。
杜邦(Dupont)公司1996年的化学品销售总额为180亿美元,但用于环保费用高达10亿美元。
我国1998年用于工业三废污染治理费用已高达3700亿人民币;近四年以来,仅仅花在治霾上的费用已严重经阻碍了我国经济增快速长的趋势,甚至有点不堪重负。
高昂的费用使环境治理陷入困境[4]。
化学工业在促进人类发展进步的同时,客观上也对人类赖以生存的环境造成了巨大的负担,面对环境污染和资源告罄等问题日趋严重,人们甚至已经有些谈“化学品”而色变了,面对种种质疑,我们从事化学化工专业学习工作者不能够要求非专业者以专业的眼光来看待问题,因为毕竟化学化工确实给人类带来巨大便利的同时,也对环境造制了相当严重的危机。
但是,人类却不能因噎废食,化学工业前进的脚步绝不允许被阻挡。
为改变当前困境,化学化工绿色化,实施可持续发展已然成为21世纪经济和社会发展必须实施的重要战略,由此亦是催生和促进了绿色化学化工的快速发展。
2绿色化学与绿色化工
从表面上看,绿色化工是将绿色化学原理和理念同现代高新技术相结合而形成的的新型现代化学工业;深入的讲,绿色化工应该是一项改变人类认知,让人类掌握如何科学合理的利用一切可利用资源的浩大工程。
绿色化工是解决环境污染的唯一有效途径,是实现可持续发展战略的必然选择。
绿色化学思想是绿色化工的基础,占据着核心地位,它主导着绿色化工的发展方向,而现代高新技术左右着绿色化工的发展速度,同时,绿色化工的发展必然会刺激推动绿色化学研究的进步。
绿色化学是理论,绿色化工是实践,二者相互依存不可独立存在和发展。
2.1绿色化学
绿色化学又称环境无害化学(EnvironmentallyBenignChemistry)、环境友好化学(EnvironmentallyFriendlyChemistry)、清洁化学(CleanChemistry)。
它是用化学的技术和方法来减少或消除那些会对对人类健康、安全和生态环境有害的原料以及催化剂、溶剂和试剂与产物及其副产物等的使用和产生。
其理想是从生产的源头上消除污染,选用无毒无害原料,使用无毒无害的催化剂和溶剂,设计高选择性反应、对环境友好合成路线,不再产生废物,也不再处理废物,使整个合成生产过程实现原子经济反应,并实现资源可再生。
它是从根本上消除化工污染的一种科学理念。
绿色化学的内涵意义可以概括为5R理论:
(1)减量——Reduction:
既节省资源,减少
“三废”的排放。
a.减少用量:
在保护产量的情况下如何减少用量,有效途径之一是提高转化率、减少损失率。
b.减少“三废”排放量。
主要是减少废气、废水及废弃物(副产物)排放量,必须排放标准以下。
(2)重复使用——Reuse:
重复使用是降低成本和减废的需要。
如化学工业过程中的催化剂、载体等,从一开始就应考虑有重复使用的设计。
(3)回收——Recycling:
可以有效实现“省资源、少污染、减成本”要求。
回收主要包括:
回收未反应的原料、副产物、助溶剂、催化剂、稳定剂等非反应试剂。
(4)再生——Regeneration:
既变费为宝,节省资源、能源,减少污染。
它要求化工产品生产在工艺设计中应考虑到有关原材料的再生利用。
(5)拒用——
Rejection:
拒绝使用是杜绝污染的最根本办法,它是指对一些无法替代,又无法回收、再生和重复使用的毒副作用、污染作用明显的原料,拒绝在化学过程中使用[5]。
2.1.1绿色化学的发展
在承受了化工污染带来的沉重创伤和为治理污染付出的惨痛代价后,人类开始迫
切的寻找新出路,因此,绿色化学应运而生,同时伴随着绿色化工的发展进步!
绿色化学的兴起大致可分为三个阶段,即初级阶段(1990至1994年)、发展阶段(1995至1998年)、高潮(1999年至今)。
目前,绿色化学作为未来化学工业发展的方向和基础和首要工程,越来越受到各国政府、企业和学术界的关注。
同时世界各国纷纷开展了绿色化学化工的研究和建设竞争。
2.1.1.1国外绿色化学的发展
1990年美国通过了污染预防法,“绿色化学首次在法律条文中出现”。
1991年
“绿色化学”由美国化学会(ACS)提出并成为了美国国家环保局(EPA)的核心口号,确立了绿色化学的重要地位。
1992年在巴西举行的联合国环境与发展大会上102个国家共同签署了《关于环境与发展的里约热内卢宣言》和《21世纪议程》等5个文件。
1995年,美国总统克林顿设立了总统绿色化学挑战奖。
1997年,美国国家实验室与大学和企业联合成立了绿色化学院,美国化学会建立了世界上第一个绿色化学研究所。
同年,德国制定了“微环境而研究”计划。
1998年,Dr.PaulT.Anastas和JohnC.
Warner教授提出了有关绿色化学的12条原则,为绿色化学奠定了理论基础1999年由英国皇家化学协会主办的国际性杂志“GrennChemistry”(绿色化学)正式创刊。
1999年澳大利亚皇家化学研究所设立“绿色化学挑战奖”。
2000年英国“绿色化学奖”完了成片届颁奖仪式。
2000年美国化学会出版了第一本绿色化学教科书。
2002年,日本设立“绿色和可持续发展化学奖”,2002年首次颁奖。
2005年,诺贝尔化学奖授予了法国科学家伊夫·肖万和美国科学家罗伯特·格拉布与理查德·施罗克,以表彰他们在绿色化学方面做出的贡献。
2010年,美国着手创建可明确鉴别绿色化学品和工艺的综合性工业标准。
这个绿色标准可用来衡量化学品及其衍生物对环境的影响和其可持续发展特性。
同时美国、英国、德国、日本等均大力发展绿色化学教育,诺丁汉大学、约克大学、莫纳什大学、麻省大学等已开设“绿色化学专业”,开始招收本科生与硕士生和博士生。
2.1.1.2国内绿色化学的发展
我国虽地大物博,但人口基数大,人均占有率低,改革开放后经济以粗放型经营为主,造成资源耗费大,污染严重等问题,随着国际上绿色化工的发展浪潮,绿色化工在我国引起了高度重视并得到发展。
1995年,绿色化学的问题就被提到议事工程上
[6]。
首先,是中国科学院化学部组织的《绿色化学与技术——推进化工生产可持续发
展的途径》院士咨询活动,此次活动对国内外绿色化学现状及发展趋势进行了深入调
研并结合国内情况,提出七条发展绿色化学与技术及消灭和减少环境污染源的建议,同时建议国家科技部组织调研,并将绿色化学与技术研究工作列入到“九五”基础研究规划。
1996年,我国召开的工业生产中绿色化学与技术专题研川会上,就工业污染防治的问题进行了深入交流讨论。
1997年,由国家自然科学基金委与中国石油化工总公司资助的“九五”重大基础研究项目《环境友好石油化工催化化学与化学反应工程》正式启动。
同年中国科技大学绿色科技与开发中心举办了专题讨论会,并发表出版了
《当前绿色科技中的一些重大问题》。
同年也在北京举行了以“可持续发展问题对科学的挑战——绿色化学”为主题的香山科学会议,有力的推进了我国绿色化学研究的发展。
中国科技大学朱清时院士在会上作了题为“可持续发展战略对科学技术的挑战”的专题报告,中国石油化工总公司闵恩泽院士又作了题为“基本有机化工原料生产中的绿色化学与技术”的专题报告,中国科学院过程工程研究所陈家墉院士也作了题为
“绿色化学与技术:
冶金和无机化工的挑战与机遇”的专题报告。
于同一年我国制定了《国家重点基础研究发展规划》,将绿色化学基础研究项目作为重要方向之一。
1998年,第一届国际绿色化学研讨会在中国科技大学举办。
同年《绿色化学与技术》专辑在《化学进展》杂志出版。
四川联合大学也于这一年成立了绿色化学与技术研究中心。
1999年5月,第二届国际绿色化学高级研讨会在成都举办。
截止2008年,共九届国际绿色化学研讨会在我国举办,在促进国内绿色化学发展起到了重大作用。
1999年在第16次九华科学论坛确立了绿色化学的三方面研究重点:
其一是绿色合成技术、方法学和过程的研究;其二是可再生资源的利用和转化中的基本科学问题;其三是绿色化学在矿物资源高效利用中的关键科学问题。
国家自然科学基金委员会也于1999年设立了“用金属有机化学研究绿色化学中的基本问题”的重点项目。
2000年我国把绿色化学作为了“十万”优先资助领域。
2006年我国旨在促进绿色化学的研究与开发和加强绿色化学学术交流与合作的中国化学会绿色化学专业委员会正式成立。
此外,许多高等院校也相继成立了绿色化学研究机构,有很多大学开设了“绿色化学”课程。
虽然绿色化学在中国起步比较晚,但在近几年已经受到了充分的重视,得到了长足发展。
2.1.2绿色化学的原则和核心
绿色化学是以实现节能环保无污染为目的的前沿学科,依照其宗旨,经过反复论证,最后确立了绿色化学的12条原则,其中原子经济性占据核心地位[7]。
2.1.2.1绿色化学的12条原则
(1)防止环境污染优于污染治理;
(2)提高原子经济性:
设计合成方法时,应尽可能使用于生产加工过程的材料都进入最后的产品中;
⑶尽量减少化学合成中的有毒原料和有毒产物:
所设计的合成方法都应该使用和产生对人类健康和环境具有小的或没有毒性;
⑷设计安全的化学品:
化学产品应该设计的使其有效地显示受期望的功能而毒性最小;
⑸使用安全的溶剂和助剂:
所使用的辅助物质(包括溶剂,分离试剂,和其它物品)在使用时都应是无害的;
⑹提高能源经济性:
化学加工过程的能源,应该考虑它们的环境的和经济的影响,并应该尽量节省。
如果可能,合成方法应在室温和常压下进行;
⑺原料的再利用:
当技术上和经济上可行,原料和加工厂粗料都应可再生;
⑻减少官能团的引人:
如果可能,尽量减少和避免利用衍生化反应,因为,此种步骤需要添加额外的试剂并且可能产生废物;
⑼新型催化剂的开发:
合成方法中采用高选择性的催化剂比使用化学计量助剂更优越;
⑽产物的易降解性:
化学产品的设计应使它们在功能终了时分解为无害的降解产物,并不在环境中长期存在;
⑾以降低环污染为宗旨的现场实际分析:
要进一步开发新的分析方法,使可进行实时的生产过程监测,并在有害物质形成之前给予控制;
(12)防止生产事故的安全生产工艺:
在化学过程中使用的物质和物质形态的选择应使其尽可能地减少发生化学事故的潜在可能性,包括释放,爆炸以及着火等。
2.1.2.2绿色化学的核心——原子经济反应
原子经济性(AtomEconomy)定义:
在化学反应中最大限度地利用参加反应的原料分子的每一个原子,使之结合到目标分子中并且不生产副产物,达到零排放。
原子利用率是转化成了产物的原子占得参与反应的原料或试剂分子中百分之比。
它是衡量原子经济性的标准。
原子利用率=(目标产物的分子量/反应物的分子量总和)×100%
原子经济性的最大特点:
最大限度的利用原料和最小限度的减少废物的生成。
绿色化学不仅将为传统化学工业带来革命性的变化,而且也必将推进绿色能源工
业及绿色农业等的建立与发展。
因此开展绿色化学化工是化学与化工领域面临的一项新挑战。
绿色化学将使化学工业改变面貌,这一趋势将在21世纪更加强劲,并将出现崭新的局面。
2.2绿色化工
绿色化工(GreenChemicalInustrry)又称为可持续发展化工,是一项浩大的化学工业工程;可以在技术层面解释为绿色化学工业生产技术,环保清洁生产技术。
绿色化工是是随着绿色化学的发展而兴起的,主要是将绿色化学的基本原理和理念应用于践中去,在节能环保和可持续性发展的同时,获得最大的经济效益。
绿色化学所追求的目标是从源头上消除污染,而绿色化工的目标可以概括为“三高”、‘三低”、
“两小”。
所谓“三高”是对于经济效益而言的,就是要求化学反应高转化率和高选择性及高能源利用率;而“三低”则是从环境保护角度出发的,要求原料和反应介质
(溶剂)及产品三者都要低毒;“两小”就是要求产生废物同副产物都要小甚至是无,主旨还是要求经济效益和环境效益协调发展,实现可持续发展。
另外,实施化学化工绿色化的一个重要意义在于培养人类科学合理使用化学品的正确认识,因为毕竟任何化学品,不合理的滥用也必然会造成污染或者直接危害的人健康与生命安全。
绿色化工是一项耗时而浩大的工程,需要人们一步步的去实现,而绿色化学的12条原则就成为了实现这一目标的准则之一。
但是,考虑到绿色化学在化学工程技术中的应用,
W.McDonough和P.T.Anast等进一步提出了绿色工程技术12条原则,用以指导化学工程的设计工作,遵照这些绿色化学工程技术原则,可设计开发出对环境友好的绿色化学工艺技术。
随着绿色化工的发展,原来的12条原则显得有些不足之处,2003年,在佛罗里达州召开的绿色化学工程技术会议上又进一步提出了绿色化学工程技术的9条附加原则(Sandestin即原则)。
2.2.1绿色化学工程技术12条原则的具体内容
(1)设计者要尽可能保证所有输入和输出的能量及材料是无毒、无害的;
(2)预防废物的产生比废物产生以后进行处理为好;
(3)产品分离和纯化操作应尽量减少能量和材料的消耗;
(4)设计的产品、工艺及其整个系统要使用质量、能量、空间和时间效率最大化;
(5)设计的产品、工艺及所有系统应该是输出的“牵引”,而不是靠输人物质和能量的“推动”;
(6)当设计选择再生、循
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