绿色产品的设计原理教材.ppt

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1、第三章,绿色产品的设计原理,二一五年三月十八日,design principle of green production,第三章 绿色产品的设计原理,3.1 绿色设计途径与方法 3.2 可持续性分析途径与方法 3.3 清洁化途径与方法,主要内容,绿色化学及绿色产品的特点,绿色化学主要特点：,绿色产品强调绿色和功能兼重，它的意义在于能直接促使人们消费观念和生产方式的转变，其主要特点是以市场调节方式来实现环境保护为目标。公众以购买绿色产品为时尚，促进企业以生产绿色产品作为获取经济利益的途径。这一点对全球可持续性经济的发展具有十分重要的现实意义。,绿色产品提出意义,1988年青岛电冰总产研究出将电冰

2、箱氟氯烃的用量减少一半，符合欧盟标准！,铅酸电池发展为锂电池,绿色化学工艺革新,实现产品的绿色化一方面存在许多困难，是一项系统工程； 另一方面，也给产品的绿色化提供了多种思路和途径。 本章拟介绍三种绿色产品的设计思路和方法，它们的核心是一致的，但处理问题的切入点和侧重面有所不同。,绿色产品的实现,3.1 绿色设计途径与方法,3.1.1 “十二原则”应用分析 3.1.2 绿色化工产品的绿色设计途径 3.1.3 设计安全化学品 3.1.4 其它绿色化工工艺设计思路,主要内容,3.1.1 “十二原则”应用分析,十二原则,3.1.1 “十二原则”应用分析,3.1.1 “十二原则”应用分析,3.1.1

3、“十二原则”应用分析,3.1.1 “十二原则”应用分析,“十二原则”被多数相关人士认为已十分全面，被用于指导产品的设计。但在实际应用中，一方面一个产品往往涉及技术、经济、政策法规等多个方面，需要多个部门或多种人才共同努力；另一方面，限于当前技术水平或企业效益、或市场因素等，完全符合“十二原则”的产品还很难一步到位。理想的绿色产品目标往往是渐进式的到达。所以，在实践中，如果一个产品在设计中采用了一种或多个原则，便可以认为该产品具有 “绿色概念”。,绿色化工产品的制造和设计过程可称之为绿色化工技术。,3.1.2 绿色化工产品的绿色设计途径,（1）绿色化工技术应符合如下特点：, 原料均使用能持续利用

4、的资源；, 以安全的用之不竭的能源供应为基础；, 高效率的利用能源和其他资源，使反应过程中所用的物料能最大限度地进到终极产物中。尽可能降低化学过程所需能量，还应考虑对环境和经济的效益。合成程序尽可能在大气环境的温度和压强下进行；,3.1.2 绿色化工产品的绿色设计途径, 高效率的回收利用废旧物资和副产品，只要技术上、经济上是可行的，原料应能回收而不是使之变坏；, 越来越充满活力，绿色化学理论为化学化工的发展注入了新的活力，在世纪必将大有可为。, 越来越智能化，需要不断发展分析方法，在实时分析、进程中监测，特别是对形成危害物质的控制上；,原料,反应 溶剂,反应 试剂,反应 类型,反应 条件,五个

5、 方面,（2）生产及其生产工艺对人类健康的影响,3.1.2 绿色化工产品的绿色设计途径,（1）原料的起源：主要是指原料的来源，原料是来自天然产物的或是由人工合成的等。,（3）评价某种原料可否用于绿色生产的指标,（2）原料的可更新性：原料分为可更新资源和不可更新资源，其中可更新资源如水、电、沼气、作物等作为能源和原料有充足的来源，并当其有效作用完成后可以分解为无害的产物。,（3）原料的危害性：指对人类和生态环境的危害，这种危害或称为毒性不一定是当时便能显现出来的，其有毒性也可能无法通过循环系统排出体系外而在体系内部慢慢积累起来。,（4）原料选择的下游影响：对原料本身的影响的分析仅是原料分析的一部

6、分，对原料的下游产品的分析也是基于以上步骤进行的。,3.1.2 绿色化工产品的绿色设计途径,3.1.3.1 设计安全化学品的定义,设计安全化学品的定义是利用构效关系和分子改造的手段使化学品的毒理效力和其功效达到最适当的平衡。 因为化学品往往很难达到完全无毒或达到最强的功效，所以两个目标的权衡是设计安全化学品的关键，应该在这些产品被期望功效得以实现的同时，将它们的毒性降低到最低限度。 设计安全化学品使化学家在设计时有了新的考虑角度，即发展和应用对人类健康和环境无毒、无危险性的试剂、溶剂及其它实用化学品。,3.1.3 设计安全化学品,3.1.3.2 设计安全化学品所考虑的诸因素,通常设计化学品时希

7、望其最好不能进入生物有机体，或者即使进入生物体，也不会对生物体的生化和生理过程产生不利的影响。 化学家必须掌握设计安全化学品知识，建立判别化学结构与生物效果的理论体系。他们必须能从分子水平避免不利的生物效果，同时还必须考虑化学品在环境中可能发生的结构变化、降解，其在空气、水、土壤中的扩散以及潜在的危害。 设计安全化学品通常要考虑的因素有外部的和内部的因素：,(1)外部因素减少暴露或降低进入生物体的机会 (2)内部因素防止毒性,3.1.3 设计安全化学品,(1)外部因素减少暴露或降低进入生物体的机会,挥发度密度熔点；在水中的溶解度；残留性生物降解性能：氧化反应性质；水解反应性质；光解反应性质；微

8、生物降解性质；转化为生物活性(毒性)物质的可能性；转化为生物非活性物质的可能性； 挥发性；油溶性；分子大小；降解性质：水解；pH值的影响；对消化酶的敏感度。,3.1.3 设计安全化学品,首先考虑化学品在环境中的分布扩散相关的性质：,其次考虑化学品被生物体吸收相关的性质：,皮肤吸收；眼睛吸收；肺吸收；消化道吸收；呼吸系统吸收或其他特定生物的吸收途径。 是否有各种化学杂质的产生；是否有有毒的同系物的存在；是否有有毒的几何构象或立体异构体的存在。,3.1.3 设计安全化学品,第三考虑化学品被人类、动物或水生生物吸收的途径：,第四考虑杂质的减少或消除：,(2)内部因素防止毒性,排泄的便利：选择亲水性化

9、合物;增大物质分子与葡萄糖醛酸、硫酸盐、氨基酸结合的可能性或使分子易于乙酰化；生物降解的便利：氧化作用；还原作用；水解作用。 选择的化学品种类或母体化合物无毒；选择官能团：避免有毒基团；计划有毒结构的生化消除；利用结构屏蔽有毒基团的作用；选择其他来替代有毒基团,首先考虑解毒的便利性：,其次考虑避免物质的直接毒性：,3.1.3 设计安全化学品,避免具有活化途径的化学品：高亲电或亲核基团；不饱和键；其他分子结构特征；对可生物活化的结构进行结构屏蔽。,第三考虑避免间接中毒生物活化：,3.1.3 设计安全化学品,3.1.3.3 设计安全化学品的方法,第一种方法，如果已知某一反应是毒性产生的必要条件，则

10、可以通过改变结构使这个反应不发生，从而避免或降低该化学品的危害性。当然，任何结构的改变必须确保分子的性质与功效不变。 第二种方法适用于毒性机理不明确的情况。对许多毒性机理不为人知的化合物，那么通过化学结构中某些官能团与毒性的关系，设计时可以尽量通过避免、降低或除去同毒性有关的官能团来降低毒性。,3.1.3 设计安全化学品,第三种途径是降低有毒物质的生物利用率的方法。该方法的理论基础是，如果一种物质是有毒的，但当它不能到达使毒性发生作用的目标器官时，其毒性作用就无法发生。化学家可以利用改变分子的物理化学性质如水溶性、极性的知识，控制分子使其难于或不能被生物膜和组织吸收，通过降低吸收和生物利用率，

11、毒性可以得到削弱。,3.1.3 设计安全化学品,3.1.4 其他绿色化工工艺设计思路,3.1.4.1 使用安全溶剂和助剂 3.1.4.2 能源经济性 3.1.4.3 可再生原料 3.1.4.4 减少衍生物 3.1.4.5 使用环境友好催化剂 3.1.4.6 降解设计 3.1.4.7 预防污染的实时分析 3.1.4.8 防止意外事故的安全工艺,3.1.4.1 使用安全溶剂和助剂,在传统的有机反应中，有机溶剂是最常用的反应介质，因为它们能很好地溶解有机化合物，使其能够在液相中进行反应合成。助剂是为了克服合成中的一些障碍，如分离用助剂。溶剂和助剂被用得非常广泛，以至于很少有人评估其是否有使用的必要。

12、 常用的溶剂中有卤化物溶剂如CH2Cl2、CHCl3、CCl4等，以及芳香烃溶剂如苯等，由于它们良好的溶解性，其应用相当广泛。20世纪氟里昂作为清洗剂、推进剂、发泡剂等被广泛应用。溶剂和助剂的广泛使用往往会对人类健康和环境产生一些问题。最著名例子就是臭氧层的破坏。氯氟烃(Chlorofluocarbons，缩写为CFCs)对,人类及野生动物的直接毒性很小，并具有低的事故隐患，如不易燃烧、不易爆炸等优点，在20世纪得到了广泛的利用，没人怀疑其在各种用途中的有效性，但是氯氟烃对臭氧层的破坏与造成的环境影响是众所周知的。 溶剂和助剂的使用不仅对人类健康与环境产生危害，而且大量地消耗能源与资源，因此应

13、尽量减少其使用量。在必须使用时，应选择无害的物质来替代有害的溶剂和助剂。这方面的研究是绿色化学的研究方向之一，下面介绍几种清洁的溶剂和助剂或避免使用有毒溶剂和助剂的方法。,3.1.4.1 使用安全溶剂和助剂,3.1.4.1.1超临界流体,超临界流体是指当物质处于其临界点(指气、液两相共存线的终结点，此时气液两相的相对密度一致，差别消失)以上时所形成的一种无论温度和压力如何变化都不凝缩的流体相，是一种介于气态与液态之间的流体状态。 超临界流体性质介于气液之间，并易于随压力调节，有近似于气体的流动行为，粘度小、传质系数大，但其相对密度大，溶解度也比气相大得多，又表现出一定的液体行为。,3.1.4.

14、1 使用安全溶剂和助剂,(1)高溶解能力 只需改变压力，就可控制反应的相态。既可使反应呈均相，又可控制反应呈非均相。超临界流体对大多数固体有机化合物都可以溶解，使反应在均相中进行。 (2)高扩散系数 在超临界状态下，由于组分在超临界流体中的扩散系数相当大，对气体的溶解性大，对于受扩散制约的一些反应可以显著提高其反应速率； (3)有效控制反应活性和选择性 具有连续变化的物性(密度、极性和粘度等)，可通过溶剂与溶质或者溶质与溶质之间的分子作用力产生溶剂效应和局部凝聚作用的影响有效控制反应活性和选择性；,3.1.4.1 使用安全溶剂和助剂,(4)无毒性和不燃性 超临界流体是无毒和不燃的，有利于安全生

15、产，而且来源丰富，价格低廉，有利于推广使用，降低成本。 超临界流体在萃取、色谱分离、重结晶以及有机反应等方面表现出很强优越性，在化学化工中获得实际应用。在有机合成中，超临界CO2由于其临界温度(304K)和临界压力(72.8 atm)较低、具有能溶解脂溶性反应物和产物、无毒、阻燃、价廉易得、可循环使用等优点而迅速成为最常用的超临界流体。,3.1.4.1 使用安全溶剂和助剂,3.1.4.1.2离子液体,离子液体不同于典型的分子溶剂，在离子液体里没有电中性的分子，100%是阴离子和阳离子，在负100至200 之间均呈液体状态，如EtNH3NO3(熔点为12 )。 与传统的有机溶剂(VOC)、水、超

16、临界流体等相比，许多种新的离子液体不挥发，其蒸气压为零，在较高温度下不挥发；以液态存在的温度范围宽，不燃、不爆炸、不氧化，具有高的热稳定性，是许多有机物、无机物和高分子材料的优良溶剂；其粘度低、热容大，有的对水、对空气均稳定，故易于处理；制造较容易，不太昂贵；部分离子液体还表现出酸性及超强酸性质，使得它不仅可以作为溶剂使用，而且还可以作为某些反应的催,3.1.4.1 使用安全溶剂和助剂,化剂使用，这些催化活性的溶剂避免额外的可能有毒的催化剂或可能产生大量废弃物的缺点；品种有数百种乃至更多，因此被认为是理想的绿色高效溶剂。离子液体可为化学反应提供新的反应环境，因此广泛应用于化学反应和分离过程。,3.1.4.1 使用安全溶剂和助剂,3.1.4.1.3水,水相反应成为绿色有机合成的一个热点，研究结果表明：有些合成反应不仅可以在水相中进行，而且还具有很高的选择性。最为典型的例子是环戊二烯与甲基乙烯酮发生的D-A环加成反应，在水中进行较之在异辛烷中进行速率快700倍。另