绿色化学化工技术

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1、绿色化学与化工导论,欢迎你,翟翠萍,绿色化学与化工,翟翠萍,欢迎你,第六章 绿色化学化工技术,生物技术 催化技术 高级氧化技术 膜技术 微波技术 超声技术 等离子体技术 高能辐射加工技术 超临界流体技术,生物技术：是应用生物学、化学和工程学的基本原理，依靠生物催化剂的作用将物料进行加工，以生产有用物质或为社会服务的一门多学科综合性的科学技术。,生物技术,现代科学技术的三大支柱：生物技术、新材料技术、电子信息技术。 生物技术的最大特点：能充分利用各种自然资源；节省能源；减少污染；易于实现清洁生产；而且可以实现一般化工技术难以制备的产品。,生物技术的分类： 基因工程-主导 细胞工程-基础 酶工程-

2、条件 微生物发酵工程-关键,基因工程：也称遗传工程，主要是基因重组技术，即是按照人们的要求将目的脱氧核糖（DNA）片段在离体条件下用工具酶剪切、组合和拼接，再将其引入宿主主细胞复制和表达，达到改性生物特性，生产出具有所需性状的产品的技术。,催化技术,催化剂是化学工艺的基础,是使许多化学反应实现工业应用的关键,目前大多数化工产品的生产均采用了催化反应技术。,绿色化学中的催化技术,采用安全的固体催化剂如分子筛、杂多酸等，替代有害的液体催化剂（如HF、HNO3、H2SO4），简化工艺过程，减少三废的排放量。 合成化学中采用择型的大孔分子筛作催化剂。 在精细化工生产中，采用不对称催化合成技术，得到光学

3、纯手性产品，减少有害原料和有毒产物。 采用茂金属催化剂合成具有设计者所要求的物理特性的高分子烯烃聚合物。 药物合成中采用超分子催化剂，并进行分子记忆和模式识别。 用生物催化法除去石油馏分中的硫、氮和金属盐类。 有机合成中采用生物催化法，减少三废的产生。 在合成化学中，更多采用环境相容性的电催化过程。 在固定和移动能源中采用催化燃烧法，作为无污染动力。 合成酶应用与燃料和化工过程。 在同一体系中，采用酶、无机和金属有机催化剂，进行增效的多功能催化反应。 在环境-经济更密切结合的反应和产品的分离中，广泛应用膜技术与多功能催化反应器。,膜技术,膜技术通常包括膜分离技术和膜催化技术。 膜的分类： 按化

4、学组成可分为：无机膜和有机高分子膜； 按结构可分为对称膜（单层膜）和不对称膜（多层复合膜）； 按用途可分为分离膜和膜反应器。 膜分离技术优点：成本低、能耗少、效率高、无污染、可回收有用物质等; 膜催化反应优点：可以“超平衡”地进行,提高反应的选择性和原料的转化率 ,节省资源,减少污染。,膜分离技术包含：微滤(MF)、超滤(UF)、渗析(D)、电渗析(ED) 、纳滤(NF)和反渗透(RO)、渗透蒸发(PV)、液膜(LM)等。 膜分离过程的主要型式 渗析式膜分离 过滤式膜分离 液膜分离 膜分离技术的主要特点： 膜分离工艺都是纯物理的分离，即被分离的组分既不会有热学性的变化也不会有学性和生物性的变化

5、。 膜分离工艺是以组件形式构成的，因此不同的组件可以适应不同的生产能力的需要。,1.植物提取（茶叶、菊粉、绞股蓝、板兰根、罗汉果、中药等深加工）. 2.生物发酵液的分离、纯化、浓缩（L-乳酸、1，3丙二醇，赖氨酸、谷氨酸、苯丙氨酸、异亮氨酸、抗生素等）. 3.牛奶深加工（乳清蛋白分离、脱盐、纯化、浓缩，乳蛋白肽分离、纯化，乳制品的除菌等） 4.大豆深加工（大豆低聚糖、大豆多肽的分离、脱盐、纯化、浓缩，大豆乳的除菌、除杂等） 5.果汁的分离、浓缩（苹果汁、梨汁、大枣汁、山楂汁、芦荟、仙人掌等） 6.酶解低聚糖的分离、脱盐、浓缩（如高级低聚果糖、低聚木糖、低聚异麦芽糖的纯化） 7.乳化油废水、机械

6、加工行业废水 8.RO水处理、工艺纯水设备等 9.化工行业（化工染料的脱盐和浓缩，液体荧光增白剂的澄清过滤、脱盐和浓缩等）,膜分离技术在食品中的应用,AOPs主要包括 O3/UV(紫外线)法、UV 固相催化剂法、H2O2/ Fe2+ 法、O3/ H2O2法等。其原理是反应中产生氧化能力极强的OH,OH能够无选择性地氧化水中的有机污染物,使之完全矿化为CO2和H2O。 优点： 通过反应产生羟基自由基（OH），该自由基具有极强的氧化性，能够将有机污染物有效地分解，甚至彻底地转化为无害的小分子无机物，如CO2、N2、O2和H2O等。 反应时间短、反应过程可以控制、对多种有机污染物能全部降解等。 缺点

7、：主要是处理过程有的过于复杂、处理费用普遍偏高、氧化剂消耗大，一般难以广泛推广，仅适应于高浓度、小流量的废水的处理。,高级氧化技术(AOPs),根据所用氧化剂及催化条件，可分为六大类： （1）化学氧化法； （2）化学催化氧化法； （3）湿式氧化法； （4）超临界水氧化法； （5）光化学氧化法和光化学催化氧化法 （光降解法）； （6）电化学氧化还原法。,化学氧化法是利用化学氧化剂的强氧化性，将废水中的无机物和有机物彻底氧化成无毒的小分子物质或气体，从而达到处理的目的。 化学催化氧化法是在传统的湿式氧化处理工艺中，加入适宜的催化剂以降低反应所需的温度与压力，提高氧化分解能力，缩短反应时间，防止设备

8、腐蚀和降低成本。 湿式氧化技术是在高温高压的条件下，以空气中的O2为氧化剂，在液相中将有机污染物氧化为CO2和H2O等无机小分子或有机小分子的化学过程。 超临界水氧化法的主要原理是利用超临界水作为介质来氧化分解有机物。 光降解反应通常是指有机物在光作用下，逐步氧化成小分子中间产物，最终形成CO2、H2O及其他离子如NO3、PO43、卤素等。 电化学氧化法是使污染物在电极上发生直接的电化学反应，或者利用电极表面产生的强氧化性活性物种使污染物发生氧化还原反应，生成无害物的过程。前者叫直接电化学反应，后者叫间接电化学反应。,微波技术,微波是指频率为300MHz-300KMHz的电磁波，即波长在1米到

9、1毫米之间的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波的统称。 特点 微波是一种内加热，加热速度快，只需加热的1/101/100的时间即可完成。 受热体系温度均匀、无滞后效应，热效率高。 微波对反应体系不产生污染，属于清洁技术。,在无机合成中,微波主要用于烧结合成和水热合成。微波烧结合成是指用微波辐照替代传统的热源，均匀混合的物料或预先压制成型的料坯吸收微波能而迅速升温，达到一定温度后，引发燃烧合成反应或完成烧结过程。微波烧结合成主要用与合成陶瓷。因为微波烧结合成具有加热均匀、升温速度快、而且燃烧传播可以控制，并有利于陶瓷的焊接和加工。微波水热合成可用于制备金属氧化物、超细粉体材料、磁性材料、沸石分子筛

10、材料。 在有机合成中，微波由于能大大加快化学反应的速度，缩短反应的时间，特别是无机固体物为载体的无溶剂的微波有机合成反应，操作简便，溶剂用量少，产物易于分离纯化，产率高。,超声波技术,研究在超声作用下引起的化学反应或化学反应过程的改变的化学分支学科。又称超声化学。 特点： 反应速度快、产率高、反应温度低。 用于化学反应的超声频率通常为2050千赫。,声化学效应的实质是气穴作用，包括气核的出现、微泡的长大和微泡的爆裂3步 。在超声作用下，流体产生急剧的运动，由于声压的变化，使溶剂受到压缩和稀疏作用，在声波的稀疏相区，气穴膨胀长大，并为周围的液体蒸气或气体充满。在压缩相区，气穴很快塌陷、破裂，产生

11、大量微泡，它们又可以作为新的气核。 超声对化学反应的影响，其主要原因就是这些微泡在长大以致突然破裂时能产生很强的冲击波。据估算，在微泡爆裂时，可以在局部空间内产生压力可以兆计算，中心温度可达104106K。,超声化学反应可按介质划分为两大类： 水相中的声化学。 在超声作用下，水分解为氢氧自由基和氢原子，由此可诱发出一系列化学反应 。 非水液相中的声化学。 研究主要集中在以下几个方面： 均相合成反应； 金属表面上的有机反应； 相转移反应； 固液两相界面反应； 聚合及高分子解聚反应。,超声波降解有机污染物原理,当声能足够强时,在疏松的半周期内,液相分子间的吸引力被打破,形成空化核。空化核的寿命为0

12、.1s,它在爆炸的瞬间可产生约 4 000 K和100 MPa 的局部高温和高压环境 ,并产生速度约为 110m/s的具有强烈冲击力的射流。该条件足以使所有的有机物在空化气泡内发生化学键断裂、高温分解或自由基反应而使废水中的有机污染物降解。,等离子体技术,等离子体是物质的第四态，即电离了的“气体”，它呈现出高度激发的不稳定态，其中包括离子(具有不同符号和电荷)、电子、原子和分子。 在化工生产中能实际应用的等离子体，主要是指低温等离子体。所谓低温等离子体就是等离子气氛的总体温度较低，一般只有几百度，甚至于只有几十度，但是其中的电子温度却高达103104K。,特点： 它处于非平衡态，适用非平衡态热

13、力学，是研究处于激发态下的高能，高活性，高速离子、电子、原子、分子、中性粒子等组成的部分电离的气体直接或间接，部分或全部参加的化学反应的过程。 等离子体由最清洁的高能粒子组成,不会造成环境污染,对生态系统无不良影响。 等离子体反应迅速,反应完全 ,使原料的转化率大大提高,有可能实现原子经济反应 ,因此 ,副反应很少,可实现零排放,做到清洁生产。 由于等离子体的高能量输入，使在常规条件下不能反应或反应速度极慢的体系也可以发生化学反应。,等离子体技术的应用： 等离子体机械加工。 等离子体化工。 等离子体冶金。 等离子体表面处理。 气动热模拟。,等离子体机械加工 等离子体焊接：可用以焊接钢、合金钢；

14、铝、铜、钛等及其合金。特点是焊缝平整，可以再加工,没有氧化物杂质,焊接速度快。用于切割钢、铝及其合金，切割厚度大。 等离子体喷涂：许多设备的部件应能耐磨耐腐蚀、抗高温，为此需要在其表面喷涂一层具有特殊性能的材料。用等离子体沉积快速固化法可将特种材料粉末喷入热等离子体中熔化，并喷涂到基体（部件）上，使之迅速冷却、固化，形成接近网状结构的表层，这可大大提高喷涂质量。 等离子体切割：是用电弧等离子体将被切割的金属迅速局部加热到熔化状态，同时用高速气流将已熔金属吹掉而形成狭窄的切口。等离子体加热切削是在刀具前适当设置一等离子体弧，让金属在切削前受热，改变加工材料的机械性能，使之易于切削。这种方法比常规

15、切削方法提高工效520倍。,等离子体化工 利用等离子体的高温或其中的活性粒子和辐射来促成某些化学反应，以获取新的物质。 等离子体冶金 用于冶炼用普通方法难于冶炼的材料，例如高熔点的锆 (Zr)、钛(Ti)、钽(Ta)、铌(Nb)、钒(V)、钨(W)等金属；还用于简化工艺过程，例如直接从ZrCl、MoS、TaO和TiCl中分别获得Zr、Mo、Ta和Ti；用等离子体熔化快速固化法可开发硬的高熔点粉末，如碳化钨-钴、Mo-Co、Mo-Ti-Zr-C等粉末 等离子体冶炼的优点是产品成分及微结构的一致性好，可免除容器材料的污染,等离子体表面处理 用冷等离子体处理金属或非金属固体表面，效果显著。 气动热模

16、拟 用电弧加热器产生的高温气流，能模拟超高速飞行器进入大气层时所处的严重气动加热环境，从而可用于研制适于超高速飞行器的热防护系统和材料。,高能辐射加工技术,辐射主要是指电子束、离子束、射线、中子流及紫外线，这些射线或粒子流均是高能量的物质，当它们与被加工的物质碰撞时，就将这些能量释放，并转移给物质是的分子、原子，从而引发一系列复杂的化学反应，使物质发生化学变化。 辐射加工的最大特点是:在常温下就能引发一些必须在高温高压条件下才能进行的化学反应，而且这些射线最终是以能量形式参加反应，是目前世界上最清洁的反应物。,主要研究方法： （一）辐射聚合 （二）辐射交联和降解 （三）辐射接枝 （四）辐射固化 （五）辐射制备复合材料,（一）辐射聚合 辐射聚合法是依靠电离辐射对单体作用而引发聚合,其工艺的主要特点是无需化学引发剂。 （二）辐射交联和降解 辐射交联，就是在辐射线的作用下，分子与分子的链间发生交合，进而使分子量增大的现象； 辐射降解，就是指聚合物在辐射线的作用下，主链发生断裂，进而使分子