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1、如何设计绿色产品如何设计绿色产品？怎样清洁化生产？怎样清洁化生产绿色产品呢？绿色产品呢？第三章第三章第三章第三章 二一五年三月十八日二一五年三月十八日第三章第三章 绿色产品的设计原理绿色产品的设计原理3.1 3.1 3.1 3.1 绿色设计途径与方法绿色设计途径与方法绿色设计途径与方法绿色设计途径与方法 3.2 3.2 3.2 3.2 可持续性分析途径与方法可持续性分析途径与方法可持续性分析途径与方法可持续性分析途径与方法3.3 3.3 3.3 3.3 清洁化途径与方法清洁化途径与方法清洁化途径与方法清洁化途径与方法 主要内容主要内容 绿色化学及绿色产品的特点绿色化学及绿色产品的特点 一是一是
2、产品本身对产品本身对环境环境与人类无害与人类无害 二是二是产品整个生命周期具有可持续性产品整个生命周期具有可持续性。绿色化学主要特点：绿色化学主要特点：对环境不造成污染的前提下实现尽可对环境不造成污染的前提下实现尽可能大的经济效益能大的经济效益。绿色产品特点：绿色产品特点：绿色产品绿色产品强调强调绿色和功能兼重绿色和功能兼重，它的，它的意义意义在于能在于能直接直接促使人们消费观念和生产方式的转变促使人们消费观念和生产方式的转变，其主要特点是以市，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
3、获取经济利益的途为时尚，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。实意义。绿色产品提出意义绿色产品提出意义1988年青岛电冰总产研究出将电冰箱氟氯烃的用量减少一半，符合欧盟标准！年青岛电冰总产研究出将电冰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铅酸电池发展为锂电池 绿色化学工艺革新绿色化学工艺革新 实现产品的绿色化一方面存在许多困难，是一项实现产品的绿色化一方面存在许多困难，是一项系系统工程统工程；另一方面，也给产品的绿色化提供了多种思路和途另一方面，也给产品的绿色化提
4、供了多种思路和途径。径。本章拟介绍三种绿色产品的设计思路和方法，它们的核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。心是一致的，但处理问题的切入点和侧重面有所不同。绿色产品的实现绿色产品的实现3.1 3.1 绿色设计途径与方法绿色设计途径与方法3.1.1 “3.1.1 “3.1.1 “3.1.1 “十二原则十二原则十二原则十二原则”应用分析应用分析应用分析应用分析3.1.2 3.1.2 3.1.2 3.1.2 绿色化工产品的绿色设计途径绿色化工产品的绿色设计途径绿色化工产品的绿色设计途径绿色化工产品的绿色设计途径3.3.3.3.1.31.31
5、.31.3 设计安全化学品设计安全化学品设计安全化学品设计安全化学品3.1.4 3.1.4 3.1.4 3.1.4 其它绿色化工工艺设计思路其它绿色化工工艺设计思路其它绿色化工工艺设计思路其它绿色化工工艺设计思路主要内容主要内容 3.1.1“3.1.1“十二原则十二原则”应用分析应用分析十二原则 坚持坚持“防止废物的产生比产生废物后进行处理为好防止废物的产生比产生废物后进行处理为好”的理念，即防患于未然；的理念，即防患于未然；防止污染优于污染治理防止污染优于污染治理1 合成方法应具有合成方法应具有“原子经济性原子经济性”，即尽量使参加反，即尽量使参加反应的原子都进入最终产物；应的原子都进入最终
6、产物；原子经济性原子经济性2 设计的合成方法中所采用的原料与生成的产物对人设计的合成方法中所采用的原料与生成的产物对人类与环境都应当是低毒或无毒的；类与环境都应当是低毒或无毒的；低毒害化学合成低毒害化学合成3 在绿色产品设计中，就要求同时考虑产品的性能与在绿色产品设计中，就要求同时考虑产品的性能与毒性，在保证毒性不超过相关标准的前提下，提高产品毒性，在保证毒性不超过相关标准的前提下，提高产品的性能；的性能；设计较安全的化合物设计较安全的化合物4 在产品的设计中，要尽可能不用或少用溶剂等辅助在产品的设计中，要尽可能不用或少用溶剂等辅助原材料，必须用时，要选用无毒或低毒易回收溶剂；原材料，必须用时
7、，要选用无毒或低毒易回收溶剂；使用较安全的溶剂与助剂使用较安全的溶剂与助剂5 化工过程的能耗必须节省，并且要考虑其对环境与经化工过程的能耗必须节省，并且要考虑其对环境与经济的影响，如有可能，合成方法要在室温、常压下进行；济的影响，如有可能，合成方法要在室温、常压下进行；有节能效益的设计有节能效益的设计63.1.1“3.1.1“十二原则十二原则”应用分析应用分析 在产品的设计中要尽可能的设计尽可再生资源作为在产品的设计中要尽可能的设计尽可再生资源作为原材料；原材料；使用再生资源作为原料使用再生资源作为原料7 在产品的设计中要尽可能的简化或缩短生产工艺，在产品的设计中要尽可能的简化或缩短生产工艺，
8、亦即短流程设计亦即短流程设计 ；减少运用衍生物减少运用衍生物 8 即在产品的设计中采用催化剂或促进剂，并且尽可即在产品的设计中采用催化剂或促进剂，并且尽可能提高其选择性；能提高其选择性；催化反应催化反应93.1.1“3.1.1“十二原则十二原则”应用分析应用分析 产物应当设计成为在使用之后能降解成为无毒害的产物应当设计成为在使用之后能降解成为无毒害的降解产物而不残存于环境之中；降解产物而不残存于环境之中；设计可降解产物设计可降解产物10 能实现在线监控，分析方法先进得当，既要保证产能实现在线监控，分析方法先进得当，既要保证产品合格，又要及时现场分析，尽可能做到在有害物质生品合格，又要及时现场分
9、析，尽可能做到在有害物质生成之前就得到有效控制；成之前就得到有效控制；实时分析以防止污染实时分析以防止污染 11在产品设计中，优选安全性高的原材料，尽可能避免使用在产品设计中，优选安全性高的原材料，尽可能避免使用易燃、易爆、易挥发、易泄漏、高毒性等原材料，以避免易燃、易爆、易挥发、易泄漏、高毒性等原材料，以避免对人身的伤害和对环境的危害。对人身的伤害和对环境的危害。采用本身安全、能防止发生意外的化学品采用本身安全、能防止发生意外的化学品123.1.1“3.1.1“十二原则十二原则”应用分析应用分析3.1.1“3.1.1“十二原则十二原则”应用分析应用分析 “十二原则十二原则”被多数相关人士认为
10、已十分全面，被用被多数相关人士认为已十分全面，被用于指导产品的设计。于指导产品的设计。但但在实际应用在实际应用中，一方面一个产品往中，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，完全符合业效益、或市场因素等，完全符合“十二原则十二原则”的产品还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。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，所以，在实践中，如果一个产品在设计中采用了一
11、种或多在实践中，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个原则，便可以认为该产品具有“绿色概念绿色概念”。绿色化工产品的绿色化工产品的制造和设计过程制造和设计过程可称之为可称之为绿色化工技术绿色化工技术。3.1.2 3.1.2 绿色化工产品的绿色设计途径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：绿色化工技术应符合如下特点：原料原料均使用均使用能持续利用的资源能持续利用的资源；以以安全的用之不竭的能源供应安全的用之不竭的能源供应为基础；为基础；高效率的利用能源和其他资源高效率的利用能源和其他资源，使反应过程中所用的物，使反应过程中所用的物料能最大限度地进到
12、终极产物中。尽可能降低化学过程所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；在大气环境的温度和压强下进行；3.1.2 3.1.2 绿色化工产品的绿色设计途径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高效率的回收利用废旧物资和副产品，只要技术上、，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；经济上是可行的，原料应能回收而不是使之变坏；越来越充满活力越来越充满活力，绿色化学理论为化学化工的发，绿色化学理论为化学化工的发展注入了新的活力
13、，在世纪必将大有可为。展注入了新的活力，在世纪必将大有可为。越来越智能化越来越智能化，需要不断发展分析方法，在实时分析、，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；进程中监测，特别是对形成危害物质的控制上；设计化学反应的生成物不仅具有所需的性能，还应具有设计化学反应的生成物不仅具有所需的性能，还应具有最小的毒性。最小的毒性。化工生产要尽可能多使用安全的无毒的可再生的资源；化工生产要尽可能多使用安全的无毒的可再生的资源；反映过程要充分地体现原子经济性，同时提高反应的选择反映过程要充分地体现原子经济性，同时提高反应的选择性，并用尽可能的使用物理方法促进化学反应；性
14、，并用尽可能的使用物理方法促进化学反应；设设计计合合成成程程序序只只选选用用或或产产出出对对人人体体或或环环境境毒毒性性很很小小最好无毒的物质；最好无毒的物质；原料原料反应反应溶剂溶剂反应反应试剂试剂反应反应类型类型产品产品反应反应条件条件五个五个方面方面化学污染不仅来源于原料和产品化学污染不仅来源于原料和产品,而且与反应介质、而且与反应介质、分离和配方中使用的溶剂有关分离和配方中使用的溶剂有关,有毒挥发性溶剂替代有毒挥发性溶剂替代品的研究是绿色化学的重要研究方向。如超临界流体、品的研究是绿色化学的重要研究方向。如超临界流体、水相有机合成和室温熔盐溶剂等；水相有机合成和室温熔盐溶剂等；（2）生
15、产及其生产工艺对人类健康的影响生产及其生产工艺对人类健康的影响3.1.2 3.1.2 绿色化工产品的绿色设计途径绿色化工产品的绿色设计途径（1 1）原料的起源原料的起源：主要是指原料的来源，原料是来自天然产物的：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。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评价某种原料可否用于绿色生产的指标（2 2）原料的可更新性原料的可更新性：原料分为可更新资源和不可更新资源，其：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，
16、并当其有效作用完成后可以分解为无害的产物。源，并当其有效作用完成后可以分解为无害的产物。（3 3）原料的危害性原料的危害性：指对人类和生态环境的危害，这种危害或称：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。环系统排出体系外而在体系内部慢慢积累起来。（4 4）原料选择的下游影响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：对原料本身的影响的分析仅是原料分析的一部分，对原料的下游产品的分析也是基于以上步骤进行的。析的一部分，对原料的下游产
17、品的分析也是基于以上步骤进行的。3.1.2 3.1.2 绿色化工产品的绿色设计途径绿色化工产品的绿色设计途径3.1.3.1 3.1.3.1 设计安全化学品的定义设计安全化学品的定义 设计安全化学品的定义是利用设计安全化学品的定义是利用构效关系构效关系和和分子改造的手段分子改造的手段使化学品的使化学品的毒理效力和其功效达到毒理效力和其功效达到最适当最适当的平衡的平衡。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
18、，将它们的毒性降低到最低限度。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。其它实用化学品。3.1.3 3.1.3 设计安全化学品设计安全化学品3.1.3.2 3.1.3.2 设计安全化学品所考虑的诸因素设计安全化学品所考虑的诸因素 通常设计化学品时希望其最好不能进入生物有机体，或者通常设计化学品时希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
19、化和生理过程产生不利即使进入生物体，也不会对生物体的生化和生理过程产生不利的影响。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。他们必须能从与生物效果的理论体系。他们必须能从分子水平分子水平避免不利的生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、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。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：
20、部的因素：(1)(1)外部因素外部因素减少暴露或降低进入生物体的机会减少暴露或降低进入生物体的机会(2)(2)内部因素内部因素防止毒性防止毒性3.1.3 3.1.3 设计安全化学品设计安全化学品(1)(1)外部因素外部因素减少暴露或降低进入生物体的机会减少暴露或降低进入生物体的机会 挥发度密度熔点；挥发度密度熔点；在水中的溶解度；在水中的溶解度；残留性生物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；微生物降解性质；降解性质；转化为生物活性转化为生物活性(毒性毒性)物质的可能性；物质的可能性；转化为生物转化为生物非活性物
21、质的可能性；非活性物质的可能性；挥发性；挥发性；油溶性；油溶性；分子大小；分子大小；降解性质：水解；降解性质：水解；pHpH值值的影响；对消化酶的敏感度。的影响；对消化酶的敏感度。3.1.3 3.1.3 设计安全化学品设计安全化学品首先考虑化学品首先考虑化学品在环境中的分布扩散相关的性质在环境中的分布扩散相关的性质：其次考虑其次考虑化学品被生物体吸收相关的性质化学品被生物体吸收相关的性质：皮肤吸收；眼睛吸收；皮肤吸收；眼睛吸收；肺吸收；肺吸收；消化道吸收；消化道吸收；呼吸系呼吸系统吸收或其他特定生物的吸收途径。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；是否有各种化学杂质的产生；
22、是否有有毒的同系物的存在；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。是否有有毒的几何构象或立体异构体的存在。3.1.3 3.1.3 设计安全化学品设计安全化学品第三考虑第三考虑化学品被人类、动物或水生生物吸收的途径化学品被人类、动物或水生生物吸收的途径：第四考虑第四考虑杂质的减少或消除杂质的减少或消除：(2)(2)内部因素内部因素防止毒性防止毒性 排泄的便利：选择亲水性化合物排泄的便利：选择亲水性化合物;增大物质分子与葡萄糖醛酸、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；硫酸盐、氨基酸结合的可能性或使分子易于乙酰化；生物降解的生物降解的便利
23、：氧化作用；还原作用；水解作用。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；选择的化学品种类或母体化合物无毒；选择官能团：避免选择官能团：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用；选择其他来替代有毒基团首先考虑首先考虑解毒的便利性解毒的便利性：其次考虑其次考虑避免物质的直接毒性避免物质的直接毒性：3.1.3 3.1.3 设计安全化学品设计安全化学品 避免具有活化途径的化学品：高亲电或亲核基团；不饱和键；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
24、子结构特征；其他分子结构特征；对可生物活化的结构进行结构屏蔽。对可生物活化的结构进行结构屏蔽。第三考虑第三考虑避免间接中毒避免间接中毒生物活化生物活化：3.1.3 3.1.3 设计安全化学品设计安全化学品3.1.3.3 3.1.3.3 设计安全化学品的方法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，则可第一种方法，如果已知某一反应是毒性产生的必要条件，则可以通过以通过改变结构使这个反应不发生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，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。害性。当然，任何结构的改变必须确保分子的性
25、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，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。毒性。3.1.3 3.1.3 设计安全化学品设计安全化学品 第三种途径是第三种途径是降低有毒物质的生物利用率的方法降低有毒物质的生物利用率的方法。该方法的理。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论基础是，如果
26、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，毒性可以得能被生物膜和组织吸收，通过降低吸收和生物利用率，毒性可以得到削弱。到削弱。3.1.3 3.1.3 设计安全化学品设计安全化学品3.1.4 3.1.4 其他绿色化工工艺设计思路其他绿色化工工艺设计思路3.1.4.1 3.1.4.1 使用安全溶剂和助剂使用安全溶剂和助剂
27、3.1.4.2 3.1.4.2 能源经济性能源经济性 3.1.4.3 3.1.4.3 可再生原料可再生原料3.1.4.4 3.1.4.4 减少衍生物减少衍生物3.1.4.5 3.1.4.5 使用环境友好催化剂使用环境友好催化剂3.1.4.6 3.1.4.6 降解设计降解设计3.1.4.7 3.1.4.7 预防污染的实时分析预防污染的实时分析3.1.4.8 3.1.4.8 防止意外事故的安全工艺防止意外事故的安全工艺3.1.4.1 3.1.4.1 使用安全溶剂和助剂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
28、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。得非常广泛，以至于很少有人评估其是否有使用的必要。常用的溶剂中有卤化物溶剂如常用的溶剂中有卤化物溶剂如CH2Cl2、CHCl3、CCl4等，以及等，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。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。2020世纪氟里昂作为清洗剂、推进剂、发泡剂等被广泛应用。
29、溶剂和助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。氯氟烃就是臭氧层的破坏。氯氟烃(Chlorofluocarbons，缩写为，缩写为CFCs)对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，在易燃烧、不易爆炸等优点，在2020世纪得到了广泛的利用，没人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怀疑其在各种用途中的有效性，但
30、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。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，因此应尽量减少其使用量。在必须使大量地消耗能源与资源，因此应尽量减少其使用量。在必须使用时，应用时，应选择无害的物质来替代有害的溶剂和助剂选择无害的物质来替代有害的溶剂和助剂。这方面的。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。助剂或避免使用有毒溶剂和助剂的方法。3.1.4.1 3.1.
31、4.1 使用安全溶剂和助剂使用安全溶剂和助剂 3.1.4.1.13.1.4.1.1超临界流体超临界流体 超临界流体超临界流体是指是指当物质处于其临界点当物质处于其临界点(指气、液两相共存线指气、液两相共存线的终结点，此时气液两相的相对密度一致，差别消失的终结点，此时气液两相的相对密度一致，差别消失)以上时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。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
32、动行为，粘度小、传质系数大，但其相对密度大，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。溶解度也比气相大得多，又表现出一定的液体行为。3.1.4.1 3.1.4.1 使用安全溶剂和助剂使用安全溶剂和助剂(1)(1)高溶解能力高溶解能力 只需改变压力，就可控制反应的相态。既可使只需改变压力，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。体有机化合物都可以溶解，使反应在均相中进行。(2)(2)高扩散系数高扩散系
33、数 在超临界状态下，由于组分在超临界流体中的在超临界状态下，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；反应可以显著提高其反应速率；(3)(3)有效控制反应活性和选择性有效控制反应活性和选择性 具有连续变化的物性具有连续变化的物性(密度、极密度、极性和粘度等性和粘度等)，可通过溶剂与溶质或者溶质与溶质之间的分子，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；和选择性；3
34、.1.4.1 3.1.4.1 使用安全溶剂和助剂使用安全溶剂和助剂 (4)(4)无毒性和不燃性无毒性和不燃性 超临界流体是无毒和不燃的，有利于超临界流体是无毒和不燃的，有利于安全生产，而且来源丰富，价格低廉，有利于推广使用，降低安全生产，而且来源丰富，价格低廉，有利于推广使用，降低成本。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，超临界成中，超临界CO2CO2由于其临界温度由于其临界温度(304K)(304K)和临界压力
35、和临界压力(72.8(72.8 atm)atm)较低、具有能溶解脂溶性反应物和产物、无毒、阻燃、价较低、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。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 3.1.4.1 使用安全溶剂和助剂使用安全溶剂和助剂 3.1.4.1.23.1.4.1.2离子液体离子液体 离子液体离子液体不同于典型的分子溶剂，不同于典型的分子溶剂，在离子液体里没有电中在离子液体里没有电中性的分子性的分子，100%是阴离子和阳离子，在负是阴离子和阳离子，在负100至至200 之间均呈之间均呈液体状态液体状态
36、，如，如EtNH3NO3(EtNH3NO3(熔点为熔点为12)12)。与传统的有机溶剂与传统的有机溶剂(VOC)(VOC)、水、超临界流体等相比，许多、水、超临界流体等相比，许多种新的离子液体种新的离子液体不挥发不挥发，其蒸气压为零，在较高温度下不挥发；，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，具有高的热稳定性定性，是许多有机物、无机物和高分子材料的优良溶剂；其，是许多有机物、无机物和高分子材料的优良溶剂；其粘粘度低、热容大，有的对水、对空气均稳定度低、热容大，有的对水、对空气均稳定，故易于处理；
37、，故易于处理；制造较制造较容易，不太昂贵容易，不太昂贵；部分离子液体还表现出；部分离子液体还表现出酸性及超强酸性质酸性及超强酸性质，使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 3.1.4.1 使用安全溶剂和助剂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被认为是理想的绿色高
38、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。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 3.1.4.1 使用安全溶剂和助剂使用安全溶剂和助剂 3.1.4.1.33.1.4.1.3水水 水相反应水相反应成为绿色有机合成的一个热点，研究结果表明：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最为典型的例子是环戊二烯与甲基乙烯酮发生的D-AD-A环加成反环加成反应，在水中进行较之在异辛烷中进行速率
39、快应，在水中进行较之在异辛烷中进行速率快700700倍。另外，超倍。另外，超临界水反应的研究十分活跃。同传统的溶剂相比，临界水反应的研究十分活跃。同传统的溶剂相比，使用水做溶使用水做溶剂不会增加废物流的浓度剂不会增加废物流的浓度。因此，水是一种理想的环境无害溶。因此，水是一种理想的环境无害溶剂剂。3.1.4.1 3.1.4.1 使用安全溶剂和助剂使用安全溶剂和助剂 3.1.3.5.4 3.1.3.5.4 无溶剂反应无溶剂反应 无溶剂反应无溶剂反应是减少溶剂和助剂使用的最佳方法，其不仅在对人是减少溶剂和助剂使用的最佳方法，其不仅在对人类健康与环境安全方面具有巨大优点，而且有利于降低费用，是绿类健
40、康与环境安全方面具有巨大优点，而且有利于降低费用，是绿色化学的重要研究方向之一。色化学的重要研究方向之一。在无溶剂存在下进行的反应大致可分为三类：在无溶剂存在下进行的反应大致可分为三类：原料与试剂作溶原料与试剂作溶剂的反应剂的反应；试剂与原料在熔融状态下反应试剂与原料在熔融状态下反应，以获得好的混合性及最，以获得好的混合性及最佳的反应条件；固体表面反应。固态化学反应的研究吸引了无机、佳的反应条件；固体表面反应。固态化学反应的研究吸引了无机、有机材料及理论化学等多学科的关注，某些固态反应已用于工业生有机材料及理论化学等多学科的关注，某些固态反应已用于工业生产。产。固态化学反应固态化学反应实际上是
41、在无溶剂存在的环境下进行的反应，有实际上是在无溶剂存在的环境下进行的反应，有时比在溶液环境中的反应能耗低、效果更好、选择性更高，又不用时比在溶液环境中的反应能耗低、效果更好、选择性更高，又不用考虑废物处理问题，有利于环境保护。考虑废物处理问题，有利于环境保护。3.1.4.1 3.1.4.1 使用安全溶剂和助剂使用安全溶剂和助剂 3.1.4.1.53.1.4.1.5固定化溶剂固定化溶剂 有机溶助剂对人类健康与环境的危害主要来自于其挥发有机溶助剂对人类健康与环境的危害主要来自于其挥发性，解决这一问题的方法之一就是性，解决这一问题的方法之一就是使用固定化的溶剂使用固定化的溶剂。实现。实现溶剂固定化的
42、方法有多种，但目标是一致的，即溶剂固定化的方法有多种，但目标是一致的，即保持一种材保持一种材料的溶解能力而使其不挥发。料的溶解能力而使其不挥发。常用的方法常用的方法有有将溶剂分子连将溶剂分子连接到固体载体上接到固体载体上；或者；或者在高分子主链上直接构建溶剂分子在高分子主链上直接构建溶剂分子；另外还有另外还有本身有良好的溶解性能且无害的新型聚合物也可本身有良好的溶解性能且无害的新型聚合物也可作为溶剂作为溶剂。3.1.4.1 3.1.4.1 使用安全溶剂和助剂使用安全溶剂和助剂 3.1.4.2 3.1.4.2 能源经济性能源经济性3.1.4.2.13.1.4.2.1化学工业中使用的能量化学工业中
43、使用的能量 在工业化国家里，化学工业消耗了很大部分的能量，是耗在工业化国家里，化学工业消耗了很大部分的能量，是耗能最大的工业之一。对于一个需要加入外界能量才能发生的反能最大的工业之一。对于一个需要加入外界能量才能发生的反应，往往需要加入一定的热量用以克服其活化能。这类反应可应，往往需要加入一定的热量用以克服其活化能。这类反应可以通过以通过选择合适的催化剂来降低反应活化能选择合适的催化剂来降低反应活化能，从而降低反应发生，从而降低反应发生所需的初始热量。若反应是吸热的，则反应开始后需要持续加所需的初始热量。若反应是吸热的，则反应开始后需要持续加入热量以使反应进行得完全。相反，若反应是放热的，则需
44、要入热量以使反应进行得完全。相反，若反应是放热的，则需要冷却以移出热量来控制反应。在化工生产中有时也需要降低反冷却以移出热量来控制反应。在化工生产中有时也需要降低反应速度以防止反应失控而发生事故。无论加热还是冷却，均需应速度以防止反应失控而发生事故。无论加热还是冷却，均需要较大的能源费用并对环境产生影响。要较大的能源费用并对环境产生影响。3.1.4.2 3.1.4.2 能源经济性能源经济性 此外，化工过程中的分离、提纯是一个相当消耗能量的步此外，化工过程中的分离、提纯是一个相当消耗能量的步骤。通常的净化与分离可通过精馏、萃取、再结晶、超滤等操骤。通常的净化与分离可通过精馏、萃取、再结晶、超滤等
45、操作实现，这些都需要大量的能量来实现产品从杂质中的分离。作实现，这些都需要大量的能量来实现产品从杂质中的分离。3.1.4.2.23.1.4.2.2可利用的能量可利用的能量 几种较为常用的能量形式几种较为常用的能量形式(1)电能电能 电化学过程是清洁技术的重要组成部分，由于电解一般无电化学过程是清洁技术的重要组成部分，由于电解一般无需使用危险或有毒试剂，通常在常温常压下进行，在清洁合成中具需使用危险或有毒试剂，通常在常温常压下进行，在清洁合成中具有独特的魅力。有独特的魅力。(2)光能光能 光能被反应中的分子，分子被激发到高能态，然后电子激光能被反应中的分子，分子被激发到高能态，然后电子激发态分子
46、进行化学反应，这就是光化学反应。该反光化学反应的活发态分子进行化学反应，这就是光化学反应。该反光化学反应的活化能来源于光子的能量。国内外研究者提出应开发利用自然光源或化能来源于光子的能量。国内外研究者提出应开发利用自然光源或自然、人工光源相结合的技术，充分利用清洁的可再生能源，使太自然、人工光源相结合的技术，充分利用清洁的可再生能源，使太阳能利用与环境保护相结合，发挥光催化降解在环境污染治理中的阳能利用与环境保护相结合，发挥光催化降解在环境污染治理中的优势。优势。3.1.4.2 3.1.4.2 能源经济性能源经济性(3)微波微波 微波是指微波是指频率在频率在300MHz300GHz(即波长即波
47、长1m1mm)1m1mm)范围的范围的电磁波，位于电磁波谱的红外辐射和无线电波之间。微波被应用于电磁波，位于电磁波谱的红外辐射和无线电波之间。微波被应用于烧结、水热合成、化学气相沉积等方面。微波协助萃取在环境样品烧结、水热合成、化学气相沉积等方面。微波协助萃取在环境样品的有机氯化合物的检测中就显示了其优越性。在微波条件下的萃取的有机氯化合物的检测中就显示了其优越性。在微波条件下的萃取应用不需热能，萃取时间短，且萃取效果更完全。应用不需热能，萃取时间短，且萃取效果更完全。(4)声波声波 一些反应如环加成、周环反应可采用超声波的能量来催化一些反应如环加成、周环反应可采用超声波的能量来催化进行。研究
48、发现进行。研究发现超声能对某些类型的转换可以起催化剂的作用超声能对某些类型的转换可以起催化剂的作用。超。超声波可以改变反应的进程，提高反应的选择性，增加化学反应的速声波可以改变反应的进程，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，因此，声化学技术是一种率和产率，降低能耗和减少废物的排放，因此，声化学技术是一种安全无害的安全无害的“绿色技术绿色技术”，在合成化学中具有广泛的。，在合成化学中具有广泛的。3.1.4.2 3.1.4.2 能源经济性能源经济性3.1.4.2.33.1.4.2.3优化反应的能量需求优化反应的能量需求 在一个合成反应路线被证明可行时，化学家往在一
49、个合成反应路线被证明可行时，化学家往往要去优化它。通常，往要去优化它。通常，“优化优化”是指提高产率或转化率，是指提高产率或转化率，并不并不“考虑考虑”上述能量因素的优化，而将能量平衡的问题上述能量因素的优化，而将能量平衡的问题留给了负责工艺过程的工程师。然而，能量的使用也像有留给了负责工艺过程的工程师。然而，能量的使用也像有毒有害物质的使用、废物的产生等问题一样，应当成为化毒有害物质的使用、废物的产生等问题一样，应当成为化学家设计反应时关注的对象。在可能的情况下，化学家应学家设计反应时关注的对象。在可能的情况下，化学家应考虑如何将能耗降到最小，这往往需要通过对反应体系的考虑如何将能耗降到最小
50、，这往往需要通过对反应体系的设计、调整和优化才能实现。例如化学工业中耗能最大的设计、调整和优化才能实现。例如化学工业中耗能最大的是净化与分离过程，若能设法减少分离操作步骤，则可以是净化与分离过程，若能设法减少分离操作步骤，则可以节约很多能量。节约很多能量。3.1.4.2 3.1.4.2 能源经济性能源经济性3.1.4.3.13.1.4.3.1传统资源及其对环境的影响传统资源及其对环境的影响 目前世界所需能源和有机化工原料绝大部分来源于化石目前世界所需能源和有机化工原料绝大部分来源于化石燃料（石油、煤和天然气），使用石油这一原料燃料（石油、煤和天然气），使用石油这一原料使人类和环境使人类和环境付