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1、绿色化学化工技术 彭桂花 广西师范大学化学化工学院,绿色化学化工技术,催化技术 生物技术 微波技术 超声技术 膜技术 分子蒸馏技术,催 化 技 术,正催化剂 负催化剂 形成势能较低的活化配合物，改变反应的历程,催 化 技 术,化学催化 均相催化 多相催化（非均相催化） 生物催化,固体超强酸催化剂 不对称合成用催化剂 沸石分子筛择形催化 固体碱催化 石墨催化剂 电催化,催化技术 生物技术 微波技术 超声技术 膜技术 分子蒸馏技术,生物技术,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。 生物技术的最大特
2、点在于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。,基因工程 细胞工程 酶工程 微生物发酵工程,生物技术,基因工程,也称遗传工程，主要是基因重组技术，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，再将其引入宿主细胞复制和表达，达到改造生物特性，生产所需产品。,细胞工程,细胞工程包括细胞融合及由此衍生出来的单克隆抗体技术，动植物细胞的大规模培养技术，以及植物组织培养快速繁殖技术。 所谓细胞融合技术是人为地将两种不同的生物细胞用生物、化学或物理方法使之直接融合，从而产生能够同时表达两组亲本有益性状的杂种细胞
3、的技术。,酶工程,酶是存在于生物体内具有催化功能的蛋白质。 酶工程包括酶源的开发、酶的提取和纯化、酶和细胞的固定化、酶分子的改造和化学修饰、酶分子的人工设计等。,酶催化反应的特点,催化效率高 反应选择性好，大多数酶具有高度的专一性 酶反应可在常温常压下进行，条件温和，控制容易，副反应少，环境污染小。,微生物发酵工程,微生物发酵工程包括菌种的选育、菌种的生产、代谢产物的发酵及微生物的利用等；也包括生物化学工程，即生化反应器的设计与放大、生产过程参数的检测与控制，以及产物的分离和精制等。 因此，现代微生物发酵工程是利用微生物的特定性状和现代化的工程技术进行工业生产的新技术体系。很显然，只有通过微生
4、物发酵工程和生化工程，才能使基因工程、细胞工程和酶工程等技术转化为生产力。,催化技术 生物技术 微波技术 超声技术 膜技术 分子蒸馏技术,微波技术,微波是指频率在300MHz300GHz(即波长lmlmm)范围的电磁波，位于电磁波谱的红外辐射和无线电波之间。 微波直接作用于化学反应体系而促进各类化学反应的进行，这就是通常意义上的微波化学；微波与气态物质的作用，使气体先转变成等离子体，进而在各种化学反应中加以利用，即微波等离子体化学。,微波加快化学反应速度的理论解释,微波的致热效应：微波是一种内加热，加热速度快，只需外加热的1101100的时间即可完成；受热体系温度均匀，无滞后效应，热效率高。
5、电磁场对反应物分子间行为的直接作用，改变了反应的动力学，降低了反应的活化能。 微波对化学反应体系不产生污染，微波化学技术属于清洁技术。,微波在有机合成中的应用,微波应用于有机合成，由于能大大加快化学反应的速度，缩短反应的时间，特别是以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。,微波在无机合成中的应用,烧结合成 水热合成 微波等离子体化学气相沉积（MWPCVD）,在低温低压下采用微波增强金刚石，具有重要的理论意义和实用价值，引起了人们的广泛关注。Seino和Nagal采用MWPCVD法在Si基质上制备出金刚石膜。制备条件：微波源功率500W，CH
6、4H2混合气体压力4kPa，CH4浓度为0.1(体积)。测试结果表明，在室温下，金刚石膜的杨氏模量为891GPa。,微波烧结,微波烧结炉,微波烧结是从20 世纪发展起来的新的陶瓷烧结技术,利用微波能使陶瓷材料实现高温烧结。 它具有整体加热、烧结温度低、烧结时间短、加热效率高、安全卫生无污染等常规烧结无法比拟的优点。 已成功制备出Al2O3 、ZrO2 、SiC、Si3N4 、AlN 、PZT 及PTC 等陶瓷材料。,微波烧结Al2O3 / SiC 纳米复合陶瓷的研究,已采用了常压、无压、热压及等离子体等烧结方法制备了性能比较优异的Al2O3 / SiC 纳米复合陶瓷材料,其强度和韧性都有显著的
7、提高 但利用微波对Al2O3 / SiC 纳米复合陶瓷材料进行烧结却没有太多公开的报道。,取一定量的Al (NO3 ) 3 溶液,加入2 %5 %( w) 的PEG作为分散剂,在不断搅拌的同时加入纳米SiC 粉末制成的悬浮液,继续搅拌一段时间后,再将稀释好的N H3 H2O 匀速滴加到剧烈搅拌的Al(NO3 ) 3 溶液中,直到p H = 9 为止,继续搅拌30min ,得到黑色溶胶,将黑色溶胶超声波分散15min 后经50 水浴加热20 min 而得黑色凝胶。,由于本工作采用的SiC 晶粒细小,易团聚,故采用如下方法对纳米SiC 粉体进行热处理:用HF 酸浸泡纳米SiC 粉体(粒径为50 n
8、m ,合肥开尔纳米技术公司) ,处理的SiC 粉体按8 %( w) 加到PEG和一定量的去离子水中,并用N H3 H2O 调节p H =910 而制成稀悬浮液,用超声波分散10 min 。,对制备的Al2O3 / SiC 纳米复合粉体加入PVA (聚乙烯醇) 粘结剂,在玛瑙钵中研磨均匀,干压成型后进行200 MPa 冷等静压坯体强化。 试样的微波烧结温度为1450 、1500 、1550 、1600 ,升温速率为40 / min, 最高烧成时间为20 min 。 用多功能炉进行热压烧结,烧结温度为1550 、1600 、1650 、1700 ,压力为50 MPa ,烧结时间为2. 5 h 3
9、h (保温) 。,结 论,微波烧结能提高Al2O3 / SiC 纳米复合陶瓷的致密性,使材料的力学性能比热压烧结有显著的提高;能优化材料的显微结构,使晶粒细小、均匀,有利于制备高致密化的细晶结构或超细晶粒的陶瓷材料; 微波烧结比热压烧结温度要低200 以上,催化技术 生物技术 微波技术 超声技术 膜技术 分子蒸馏技术,声化学（Sonochemistry）,声化学效应的实质是空腔作用(cavitation)。 它由成核、微泡生长和空腔向内塌陷三步组成。 由于空腔生长和塌陷的动力学与所在局部环境有关，因此它又分为均相液体空腔作用和固液界面空腔作用。,均相液体空腔作用,若使液体内产生空腔，必须克服分
10、子间作用力，对液体施加足够大的负压力Pc，使分子间距离超过使液体相互接触的最小距离，液体将裂开产生空腔。实际上，空腔形成所需的声压大大低于此值，因为液体内存在张力弱区，即液体内有溶解气体或在尘埃杂质固液界面上气体作为气核。,声波是一个压力波，存在交替的声波压缩相区和稀疏相区。在声波稀疏相，气核膨胀长大，并为周围液体蒸汽或气体所充满，成为气泡(bubbles)空腔。在下一个压缩相区，空腔很快塌陷和破裂，产生大量微泡。它们又可作为新的气核，形成新的微泡空腔。,固液界面上的空腔作用,当固-液界面受到强声波作用时，也会产生瞬态空腔。它不呈球形对称，而出现不对称塌陷。 产生一股微射流，以每秒几百米的速度
11、撞击固体表面，使固体表面发生局部侵蚀和剥蚀，并伴生强冲击波，数量级高达1000MPa。 可以强化传质作用，使固体表面保持高活性，大大提高反应速度；并对不相溶的液液界面发生强烈乳化分散作用，从而具有广泛的工业应用。,声化学效应的理论解释,均相体系 空腔塌陷导致在液体微区内产生高温高压的高能环境， 引起分子中化学键的断裂，产生自由基和离子，进而引起一系列化学变化。,在非均相体系 主要是由于空腔的机械效应(Mechanical effects)。 当空腔塌陷时，冲击波和微射流以每秒几百米的速度射向多相界面，剧烈地撞击固体表面，破坏固相表面的氧化层，露出新鲜表面，产生新的活性位置，同时强烈的物理应力，
12、产生粒子的分裂。液滴喷射相互作用，使互不相溶的液体产生乳化。这一切极大地提高传热和传质速率，加速化学反应的进行。,声化学效应的理论解释,声化学技术在绿色化学中的应用,改变反应的进程，提高反应的选择性 增加化学反应的速率和产率，降低能耗和减少废物的排放 在声化学反应和常规搅拌时其反应速率常数之比为10：1，空腔活化使反应产率达到97，因为声化学反应大多在环境温度进行，避免了热敏化合物的高温分解。 声化学技术是一种安全无害的“绿色技术”，在合成化学中具有广泛的应用。,ACE 超声化学反应釜（ACE Sonochemical Equipment）,超声水热法制备 单分散球形二氧化硅,将异丙醇(AR)
13、 、二次蒸馏水、氨水(AR)按比例混合置于三口烧瓶中, 固定在KQ5200DB数控超声波清洗器( 40 kHz , 200 W , 可调40 %100 %) 中, 并连接冷凝管, 预热。待温度稳定, 打开超声波, 选择功率, 滴入正硅酸乙酯( TEOS) (AR) , 反应开始。待反应完全, 将产物离心水洗至中性, 再用无水乙醇洗涤两次, 干燥即得二氧化硅粉体。,采用HO TIBALA2920 激光粒度仪和TEC2NAL20 透射电子显微镜对正交实验所得样品进行表征; 采用日本理学D/ MAX2RA 型X 射线衍射仪, Nicolet 380 F T2IR 红外光谱仪和PERKIN2 ELME
14、R 7 Series 型差热分析系统表征最佳条件制备的SiO2 样品晶态、IR 和DTA 曲线。,易赛20激光粒度分析仪,催化技术 生物技术 微波技术 超声技术 膜技术 分子蒸馏技术,膜技术,按化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。膜技术通常包括膜分离技术和膜催化技术。,膜分离技术,分离膜有无机分离膜和有机高分子分离膜两大类型。 无机分离膜是由无机材料如金属、金属氧化物、陶瓷、微孔玻璃、沸石等制成的膜，具有结构稳定，孔径均一，耐酸、耐碱、耐有机溶剂，抗微生物侵蚀力强，化学稳定性好，可在高温高压条件下操作。 有
15、机高分子分离膜是以纤维素、聚酰、 亚胺类、聚砜类、聚烯烃类、硅氧烷聚合物、含氟高分子、聚电解质等合成有机高分子材料制成的分离膜,原 理,膜分离技术主要是采用天然或人工合成薄膜，以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分流质和溶剂进行分离、分级、提纯和富集操作。,膜分离可以看成是两相之间一个具有透过选择性的屏障,特 点,在常温下进行 有效成分损失极少，特别适用于热敏性物质，如抗生素等医药、果汁、酶、蛋白的分离与浓缩 无相态变化 保持原有的风味，能耗极低，其费用约为蒸发浓缩或冷冻浓缩的1/3-1/8,无化学变化 典型的物理分离过程，不用化学试剂和添加剂，产品不受污染 选择性好 可在分子级内进行
16、物质分离，具有普遍滤材无法取代的卓越性能 适应性强 处理规模可大可小，可以连续也可以间隙进行，工艺简单，操作方便，易于自动化,分 类,微滤 超滤 纳滤,微滤是发展最早、制备技术最成熟的膜形式之一，孔径在0.05um10um 之间，可以将细菌、微粒、亚微粒、胶团等不溶物除去，滤液纯净，国际上通称为绝对过滤。由于微滤孔径相对较大，单位膜面积透水率高，而且制备成本最低，使用范围非常广，其销售额居于各类膜的首位。,超滤的截留相对分子质量在1000100000 之间，选择某一截留相对分子质量的膜可以将杂质与目标产物分离。超滤技术在生化产品分离中应用最早、最为成熟，已广泛应用于各种生物制品的分离、浓缩。,纳滤膜具有纳米级孔径，截留相对分子质量为2001000，能使溶剂、有机小分子和无机盐通过。纳滤可以采用两种方式提取抗生素，一是用溶剂萃取抗生素后，萃取液用纳滤浓缩，可改善操作环境；二是对未经萃取的抗生素发酵液进行纳滤浓缩，除去水和无机盐，再用萃取剂萃取，可减少萃取剂用量。,纳滤设备,膜分离技术的应用现
