医药化工学院：梁华定

1. 绿色化学与化工导论 医药化工学院：梁华定

2. 开设本课程的目的 20世纪化学工业为衣、食、住、行、保健和娱乐以及国防安全提供了丰富的化学物质，也带来了不同程度的环境污染 21世纪绿色化学的进展将证明化学有能力推动经济和社会的可持续发展，保障子孙后代的美满幸福生活 环境污染、能源枯竭等问题是当前人们最为关心的热门话题之一,传统化学、化工面临着人类可持续发展要求的严重体挑战，而绿色化学化工的兴起和发展,既可以从根本上保护环境,又可以进一步促进化学工业生产发展,因此化学工业的出路在于大力开发和应用基于绿色化学原理产生和发展起来的绿色化学化工技术。

3. 开设本课程的目的 通过本课程的学习，掌握绿色化学与化工的基本概念、基本原理，了解化学、化工生产中的资源与能源合理利用及生态环境可持续性发展间的关系。 达到开阔视野，拓宽知识面，便于从整体上认识化学学科，树立既保护环境又推动工业生产发展的新观念。 同时及时了解最新最热门的科学技术成果的研究进展以及国内外发展状况，为成为知识渊博、研究方向明确的高素质人才打下基础。

4. 课程性质及要求 本课程为考查课，总学时数为34学时。 自学课程：主要以自学为主，辅导两次 。目的培养自学能力。 自学内容：按大纲要求，结合教材及有关参考资料自学，做好自学笔记。 考核形式：自学笔记40%，小论文或读书报告30%，期终考查30%。

5. 教材及参考书 1、贡长生、张龙．绿色化学．武汉：华中科技大学出版社，2008 2、李德华．绿色化学化工导论．北京：科学技术出版社，2005 3、闵恩渍. 吴巍 编著. 绿色化学与化工.北京：化学工业出版社,20004． 4、仲崇立. 绿色化学导论.北京：化学工业出版社, 2000 5、贡长生、张克立. 绿色化学化工实用技术.北京：化学工业出版社, 2002 6、沈玉龙、魏利滨、曹文华.绿色化学.北京：中国环境科学出版社, 2004 7、顾国维、何澄. 绿色技术及其应用.上海：同济大学出版社,1999 8、P.T.阿纳斯塔斯， J.C.沃纳.李朝军,王东.绿色化学理论与应用. 北京：科学出版社, 2002

6. 李德华《绿色化学化工导论》内容 第一章绪论 从环境问题的产生与发展，了解绿色化学的产生、发展、重要性；掌握绿色化学的定义和特点。 第二章绿色化学原理 掌握绿色化学的12条基本原则；掌握原子经济性反应及绿色化学手段。 第三章化学工业的可持续发展 了解可持续发展与化工清洁生产的关系；掌握化工可持续发展的有效途径是必须采用绿色技术。 第四章工业生态学原理 了解工业生态学发展史及几个基本概念；熟悉工业生态学的三大研究方法（工业代谢、生命周期评价、区域产业生态系统建设）；掌握循环经济和生态工业的重要性。

7. 李德华《绿色化学化工导论》内容 第五章绿色化学化工技术 了解能源、分类及各种能源技术；了解材料的分类并掌握各类新型材料的特点；掌握催化技术；熟悉生物技术及分离技术（微波技术、膜技术、超声技术）。 第六章绿色无机化学工艺 熟悉几种无机化学工业生产（磷铵生产、铬盐生产、氯碱生产等）的绿色化。 第七章绿色有机化学工艺 以乙苯脱氢制苯乙烯、、环氧丙烷绿色生产工艺、醋酸生产的绿色化为例熟悉几种有机化学工业生产的绿色化。 第八章制药工业绿色化 熟悉各种制药工业（化学制药、中草药制药、生物制药）的绿色化。

8. 可持续发展的基本化学问题－绿色化学 一、绿色化学的重要性 二、绿色化学的主要特点及内容 三、化工生产应遵循“绿色化学12条原则” 四、化学工业的可持续发展 五、绿色工业生态系统 六 、绿色化工及技术 七、绿色化学的方向 八、绿色化学生产

9. 可持续发展的基本化学问题－绿色化学 一、绿色化学的重要性 迄今为止。化学工业的绝大多数工艺都是20多年前开发的。 近年来，由于化学工业向大气、水和土壤等排放了大量有毒、有害的物质。1992年，美国化学工业用于环保的费用为1150亿美元，清理已污染地区花去7000亿美元。1996年美国Dupont公司的化学品销售总额为180亿美元。环保费用为10亿美元。所以从环保、经济和社会的要求看化学工业不能再承担使用和产生有毒。有害物质的费用.需要大力研究与开发从源头上减少和消除污染的绿色化学。 从科学观点看——化学科学基础的创新 从环境观点看——从源头上消除污染 从经济观点看——合理利用资源和能源，降低生产成本 —— 符合经济和社会可持续发展的要求

10. 各国政府推动绿色化学的措施 绿色化学化工作为应对21世纪挑战的关键技术与基础,已成为21世纪世界科技研究前沿热点 1990年美国颁布了《污染防治条例》， 将 污染的防治定为国策 1995年美国副总统Gore宣布了国家环境技术战略。其目标为:至2020年地球日时。将废弃物减少40-50%,每套装置消耗原材料减少20一25%；宣布设立“总统绿色化学挑战奖”，1996年7月第一届颁发，设立学术奖、小企业奖、变更合成路线奖、变更溶剂/反应条件关、设计更安全化学品奖（表1-2） 美国 2000年，美国化学会出版了第一本绿色化学教科书 在美国2003年公布的21世纪化学化工发展战略中，再次强调了绿色化学化工的重要性。

11. 各国政府推动绿色化学的措施 制订“21世纪重建绿色地球”的新阳光计划， 设立“为地球创新技术的研究院” 日本 英国皇家化学会主办的国际性杂志《绿色化学》1999年1月创刊；2000年设立“Jerwood Salters环境奖” 德国 1991年制订“为环境而研究的计划” 荷兰 制订“清洁生产手册” 澳大利亚也创建了绿色化学期刊； 欧盟各国

12. 各国政府推动绿色化学的措施 制订了“科教兴国”和可持续发展策略，并于1993年世界环境和发展大会之后，编制了《中国21世纪议程》郑重声明走可持续发展道路的决心。 中国 1995年中国科学院化学部组织了《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 1997年国家自然科学基金委“九五”重大项目：环境友好石油化工 催化化学与反应工程 1997年5月，香山科学会议第72次学术研讨会：可持续发展问题对科学的挑战——绿色化学 1998年合肥第一届国际绿色化学高级研讨 1999年北京第16次九华山科学论坛“绿色化学的基本科学问题” 2000年科技部《国家重点基础研究发展规划项目》立项——石油炼制和基本有机化学品合成的绿色化学

13. 环境友好产品 回归自然 废物回收利用 无毒无害原料 可再生资源 原子经济反应 无毒无害 溶剂 无毒无害 催化剂 二、绿色化学的主要特点及内容 4、化学反应技术的可持续性 1、化学反应的原子经济性 5、化工生产的可持续性 2、化学反应的清洁性 3、化学工艺的循环性和闭路性。

14. 三、化工生产应遵循“绿色化学12条原则” 1.预防（prevention) （防止污染优于污染治理）：防止废物产生优于废物产生后再处理或清理 2.原子经济性（atom economy）：应设计合成方法使其能把反应过程中利用的所有材料尽可能多地转化到最终产物中 3.低毒化学合成（iess hazardous chemical synthesis）：只要可行，应设计合成方法使其利用和产生的物质对人类健康和环境无毒性或很低毒性。 4. 设计安全化学品(designing safer chemicals):应设计化工产品使其保留功效，但降低毒性 5.采用安全的溶剂和助剂（ater solvents and auxiliaries）：应尽可能避免使用辅助物质（如溶剂、分离剂），如用时应是无毒的 6.能量效率设计(design for energy efficiency)（合理利用和节省能源）:应考虑到能源消耗对环境和经济的影响，并应尽量少地使用能源。如有可能合成应在常温和常压下进行

15. 三、化工生产应遵循“绿色化学12条原则” 7.使用可再生原料(use renewable feedstocks):只要技术和经济上可行，原料应是可再生的，而不是将耗竭的 8.减少衍生物(reduce derivatives):应尽可能避免不必要的衍生化（阻断基团，保护／脱保护，物理和化学过程的暂时修饰）因为这些步骤需要添加试剂并可能产生废物 9.催化(catalysis):催化试剂（有尽可能好的选择性）优于化学计量试剂 10.降解设计(design for degradation):应设计化工产品使其在完成使命后不在环境中久留，并降解为无毒的物质 11.防止污染的快速分析(real-time analysis for pollution prevention):分析方法须进一步发展，以能够进行即时的和在线的跟踪及控制有害物质的生成 12.本身安全、能防止意外事故的化学(inherently safer chemistry for accident prevention):在化学转换过程中，所用的物质和物质的形态应尽可能地降低发生化学事故的可能性，包括：泄漏、爆炸、和火灾

16. 绿色化学工程技术的12条原则 1 要尽力保证所有输入和输出的能量与材料尽可能无内在固有危险2 污染防止优于污染形成后的处理3 产品分离与纯化的设计要尽量减少能量与材料的消耗4 质量、能量、空间和时间效率的最大化5 强化输出的牵引，不要输入的推动6 保留复杂性7 强调耐久性而不是永久性8 满足需要，使过量最小化9 减少物质的多样性10 当地物质流和能源流的整合1l 商品后期设计12 使用可再生而非耗竭材料

17. 四、化学工业的可持续发展 1、什么叫“可持续发展” ？ -1987年《我们共同的未来》一书发表，提出了“可持续发展”最经典的定义：“满足当前的需要但不损及后代满足他们自己的需要”。( “代间不平等” 问题) 联合国关于可持续发展的三次会议 1、联合国人类环境会议（1972，瑞典，113国家参加，发表“关于人类环境的斯德哥尔摩宣言”及“人类环境计划”） 2、联合国环境及发展会议（1992，巴西，178国参加，发表“关于环境与发展的里约热内炉宣言”等5项公约等） 3、可持续发展的世界首脑会议（2002，南非，191国家参加，发表“关于可持续发展的约翰内斯堡宣言”及“可持续发展世界首脑会议实施兴计划”）

18. （1）面临世界资源的挑战－地球资源７５年耗尽（1）面临世界资源的挑战－地球资源７５年耗尽 2、可持续发展的战略需求 世界自然基金会和联合国环境规划署联合发表的《２０００年地球生态报告》显示，若按目前的速度继续消耗地球的资源，那么我们地球的资源会在２０７５年耗尽。 （2）地球正在失去自我清洁的能力 ２２年来，一种能够清洁空气的关键自由基分子在世界范围内逐渐减少，它的浓度平均下降１０％，至今尚不清楚它下降的原因和周期，它将对地球的健康构成巨大的威胁。它是地球的防污染剂，它的减少将使烟尘越来越浓，导致破坏保护地球的臭氧层。

19. （3）全球环境处于危险的十字路口 如温室气体排放，臭氧层破坏等,过去10年里全球水文气象灾害数量增加了一倍。 若化石燃料不加限制地消耗下去，2030年CO2浓度可达到550 ppm,到2050年气温会上升1.5－4.5℃。 那时生态灾难又会比现在上升几倍？ 全球的生态系统正在向危险的临界值接近，环境的恶化导致自然灾害，近十年中导致世界６０８０亿美元的损失，过分对矿物燃料的使用，使气温变暖，北极冰盖已减少4２％，继续变暖会导致水资源的极度缺乏，食品的减少，和诸如疟疾、登革热之类致命的疾病广为扩散。

20. 2002～2003 1年 1999～2002 3年 2000～2002 2年 1993～1999 6年 1992～2000 8年 1984～1993 9年 1953～1992 39年 1953～1984 34年 2.5亿平方米 3、可持续发展的战略需求（中国形势） 经济形势之一：中国经济高速发展 近20年（1985~2005年）中国经济高速发展。2002年国内GDP总量超过10万亿元，人均GDP超过1000美元；2005年国内GDP达到20万亿元，人均GDP超过1500美元。 2001～2003 2年 1996～2001 5年 1986～1996 10年 1949～1986 37年 100万辆 5000万吨 中国经济的高速发展，带动了钢铁、建筑、汽车等各行各业的加速发展。

21. 经济形势之二：重工业是中国经济发展的主要支柱经济形势之二：重工业是中国经济发展的主要支柱 我国经济增长的主导是重工业，1985年至2005年间，重工业产值占国内工业总产值的比例波动在50—70%。 2005年：世界钢产量11.3亿吨 2006年：世界钢产量12.4亿吨 我国钢产量在世界上的地位 我国钢产量在世界上的地位 • 材料工业是国内经济发展的物质基础，如钢产量伴随着GDP同步增长； • 2006年我国钢产量达到4.18亿吨，占世界钢产量的33.7%；水泥产量达到12.4亿吨，占世界产量的50%； • 重工业一般是资金密集、劳动力密集的高能耗、高污染产业。 国内水泥产量的发展 万吨 国内生产总值(GDP)与粗钢产量的发展趋势 国内生产总值(GDP)与粗钢产量的发展趋势 我国以重工业作为经济发展的主要支柱，是造成单位GDP能耗高、污染严重的主要原因。

22. 经济形势之三：中国经济发展进入转型期 • 世界各国人均GDP达到1000-3000美元是重要的经济转型期，也是战略机遇期； • 经济转型期的重要标志是发展中国家转为发达国家，工业化社会转为信息化社会； • 转型期的主要社会矛盾是经济高速发展与资源环境的制约； • 欧、美经历这一发展阶段的时间长达12~19年；日、韩国用7~8年实现转型；而墨西哥、巴西、菲律宾、泰国、马来西亚等国长期未能实现转型，经济陷入停滞不前。 我国经济发展与GDP增长趋势 为了尽快实现中国经济转型，必须坚持节能减排、建设节约型社会的基本国策，进一步降低能源、资源消耗，改善社会环境。

23. 可持续发展面临的问题之一——资源缺乏 社会转型期是重要战略机遇期，也是各种矛盾凸显期，随着经济快速增长和人口不断增加，资源约束矛盾日益突出，环境形势更加严峻。 从资源禀赋看，我国是总量上的大国，人均上的贫国。人均淡水资源占有量仅为世界平均水平的四分之一，人均耕地占有量不到世界平均水平的40%，45种矿产资源人均占有量不到世界平均水平的一半，石油、天然气人均占有储量为世界平均水平的7%和4.5%，铁矿石、铜和铝土矿储量分别为世界平均水平的1/6、1/6和1/9。 随着经济发展，GDP增长与资源消耗呈线性正比关系。这意味着今后国内经济的发展需要大量的资源。因此，国内资源缺乏将是束缚我国经济高速发展的重要制约因素。

24. 我国的能源及水资源现状 主要国家的铁矿石储量与钢产量 我国是一个公认的能源短缺而又贫水的国家 !!!

25. 可持续发展面临的问题之二——大气环境污染严重可持续发展面临的问题之二——大气环境污染严重 大气污染：一级标准城市只占６００多个城市中的不到１％ 工业污染：中国流行病的８０％是由于水污染传播 固体废弃物严重：以１０％速度增长，存储量已达６.４９亿吨，占地5.17万顷 • 我国化学工业经济增长很大程度建立在大量消耗能源及原材料的基础上，有时以牺牲环境为代价。 • 我国化学工业总产值居世界第三位，但人均化工产值仅为世界平均的1/4。 • 我国化学工业总能耗为美、加、墨三国之和的4.1倍，但产值相当三国之和的23.8%。 • 化工废水排放量占全国工业部门的17.5%，名列第1位；化工废气排放量占第4位，固体废物排放占第5位，但危险废物占60%，为第1位。 • 万元产值水耗为美国的3.5倍。而万元产值的污染物排放强度是美国的近百倍。

26. 可持续发展面临的问题之二——大气环境污染严重可持续发展面临的问题之二——大气环境污染严重 温室效应气体排放居亚洲之首 40% 国土受酸雨威胁 全国527个市（县）中，出现酸雨的城市有298个，占统计城市的56.5%，有些地区的酸雨频率达到100%。据测算，大气污染造成的经济损失已经占到GDP的2~3%，中国的大气污染的形势不容乐观。 二氧化硫排放逐年增加

27. 可持续发展面临的问题之二——大气环境污染严重可持续发展面临的问题之二——大气环境污染严重

28. 可持续发展面临的问题之三——水质污染、固体废弃物泛滥可持续发展面临的问题之三——水质污染、固体废弃物泛滥 我国人均水资源不足世界平均值的1/4，而且水质受到较严重的污染。目前，全国60%的城市存在不同程度的缺水，108各城市严重缺水，饮用水源地水质较差，约有30%人口得不到安全饮用水。 2003年我国生活垃圾清运量达1.5亿吨，年均增长7-10％，处理率远远达不到要求，垃圾围城现象普遍。 2003年七大水系各种水质类别所占比例

29. 可持续发展面临的问题之四——人居环境受到严重威胁可持续发展面临的问题之四——人居环境受到严重威胁 电厂对大气污染 北京遭遇的沙尘暴 太湖污染 全国主要城市空气污染综合指数

30. 节能减排的压力与困难——来自国外的压力 炭燃烧生成CO2(约占总量的80%)是产生温室效应的主要因素，CO2阻挡太阳光辐射造成全球气温上升、环境恶化和自然灾害频繁发生。全球必须共同抑制CO2的排放量。 全球CO2排放量从2001年的249亿吨增加到2005的292亿吨，同期美国从63亿吨升到65亿吨，中国从28亿吨猛增至53亿吨。2006年，全世界的CO2排放量突破300亿吨； 中国已签署京都议定书，作为发展中国家暂不承诺CO2减排指标，但发达国家普遍认为中国不承担控制温室气体排放的义务，仍不能减少空气污染和温室气体的危害。 结论：中国环境污染与温室气体排放已引进全世界的高度关注，必须尽快采取节能减排措施减少环境污染和温室气体排放量。

31. 4、可持续发展研讨内容 国策：“可持续发展” “可持续发展与生态工业”其科学与技术基础是绿色化学科学与工程 廿一世纪人类的进步,已进入了可持续发展的阶段，其产业系统是工业生态系统，发展的经济模式就是循环经济。 21世纪可持续发展的系统与园区的模式是生态工业系统与生态工业园区。应用系统工程的方法，去分析、研究、设计与规划化工园区大系统中的基本流：物流、能量流、资金流与信息流，以达到环境友好、资源、能源与资金最优化利用目标。----生态工业园区

32. 循环经济,绿色GDP与可持续发展 循环经济是仿照自然生态系统，在生产、流通和消费等全社会范围内, 通过物质循环、废物最小化、工艺替代和产品共生等方式，组织成一个“资源—产品—再生资源”的物质反复循环流动的过程，达到资源、能源的高效利用，对环境影响最小的的经济模式，本质上是一种生态经济。 以资源高效利用和循环利用为核心 达到实现物质资源的有效利用和经济与生态的可持续发展 以“三R”为原则 循环经济是一种 以低消耗、低排放、高效率为基本特征 以生态产业链为发展载体 以清洁生产为重要手段

33. 循环经济的基本原则 即减量化（reducing） 是实现循环经济的重要行为原则 再利用（reusing） 3R原则 再循环（recycling）

34. 循环经济实例 1 　 新疆天业循环经济产业链图

35. 循环经济实例 2

36. 五、绿色工业生态系统 绿色工程建立生态工业是依据生态经济学原理，以节约资源、能源、清洁生产和废弃物多层次循环利用（即节能、降耗、减排原则）等为特征，以现代科学技术为依托，运用生态规律、经济规律和系统工程的方法经营和管理的一种综合工业发展模式。 工业生态学的核心是如何实现循环经济与环境友好理念，实现再生资源的利用, 即用化学方法改变和回收利用废物，将废物转化为原料，进而达到资源与能源高效利用的目标。

37. 1、生态工业群--园区生态工业模式 2 1 3 原子经济性 + 零排放 循环经济 + 环境友好 6 4 5 生态工业园区为大系统（网），生态工业群（链）为工业园区的一级子系统，企业为二级子系统（点）…………………。

38. 2、生态工业园区及其大系统过程集成 生态工业园是依据循环经济理念和工业生态学原理而设计建立的一种区域型新型工业组织形式，通过模拟自然系统建立产业系统中“生产者——消费者——分解者”的循环途经，尽可能实现物质闭路循环和能量多级利用。 即生态园内企业模拟自然界生态系统，相互之间存在协同和共生关系，将最大限度地充分利用资源和减少负面环境影响，最后达到工业可持续发展的目标。

39. 丹麦的卡伦堡( Kalunborg) 生态工业园区 硫 废热 硫酸厂 2.炼油厂 温室 废热 冷却水 蒸汽 烟气 街区供热 淡水湖泊 壁板厂 1.燃煤电厂 石膏 废热 鱼 塘 蒸汽 粉煤灰 农药厂 制药厂 水泥和铺路 淤泥肥料 1. 这种能量交换有更显著的能效 2.物料和能量交换能为参与者提供经济效益 3、园区进行了水资源的循环利用 丹麦Kalundborg的工业网络图

40. 钢厂 Fe EAF 塑料和金属分离 水泥厂 汽车粉碎机 金属回收 塑料回收 能量 ASR 能量回收 灰尘 美国北德克萨斯州的工业生态园内的物质流 美国北德克萨斯州的一个生态工业园 生态工业园的中心便是一个钢厂，它利用废汽车作为主要的原材料

41. 美国部分生态工业园区

42. 加拿大部分生态工业园区

43. 国内的部分生态工业园区

44. 贵港国家生态工业示范园总体结构 国内生态工业园 该示范园区的六个系统，各系统内分别有产品产出，各系统之间通过中间产品和废弃物的相互交换而互相衔接，从而形成一个比较完整和闭合的生态工业网络，园区内资源得到最佳配置、废弃物得到有效利用，环境污染减少到最低水平。其中，甘蔗→制糖→蔗渣造纸生态链、制糖→糖蜜制酒精→酒精废液制复合肥生态链以及制糖(有机糖)→低聚果糖生态链这三条园区内的主要生态链，相互间构成了横向耦合的关系，并在一定程度上形成了网状结构。物流中没有废物概念，只有资源概念，各环节实现了充分的资源共享，变污染负效益为资源正效益。

45. 贵港国家生态工业示范园总体结构

46. 过程集成是实现绿色化工目标的核心技术 基于热力学原理的集成换热器网络的夹点技术推广到传质交换网络中来。质交换器指的是任何逆向直接接触的传质操作，如吸收、吸附、液—液萃取、离子交换、浸取、汽提，氢夹点分析等。这种质交换网络分析的目的是设计污染杂质的回收网络，以减少污染。废水最小化的夹点设计方法。 六 绿色化工及技术 1、夹点分析――（资源、能源节约型）

47. 热交换网络的建立仍是世界化工节能的主要技术热交换网络的建立仍是世界化工节能的主要技术

48. 乙酸 甲醇 催化剂 乙酸甲酯 传统的常规型流程 （11个装置设备） 现代的集约型流程 （1个装置） 溶剂 3R 水 共沸物 溶剂 共沸物 较重组分 水 蒸馏 乙酸 乙酸 甲酯 萃取 蒸馏 催化剂 反应 蒸馏 反应 反应 蒸馏 甲醇 蒸馏 由传统流程向集约型耦合过程发展

49. 2、深度过程集成：网络超结构模型模拟 立足于通用反应器及相互连接的流股网络构成的超结构，在研究传质和传热的各种可能安排的基础上，找寻最优化的结构。 ① 用可再生资源代替不可再生资源 ② 氢夹点分析 ③ 基于溶剂的分离系统设计 ④ 利用微化工厂来规避风险、提高效率 ⑤工厂公用工程及联产系统的节能

50. 如环氧乙烷的深度加工 ……. 石油 乙烯 脱水 氧化 草酸（媒染剂、除锈剂、漂白剂） 墨水、染料、皮革 水合 醋酸 二醋酸乙二醇酯（溶剂） 乙二醇 环氧乙烷 醇酸树脂、涤纶 反应分离与聚合 ……. 二甘醇 醇解或水解 ……. 三甘醇 医药、化妆品等 ……. 单体 ……. 绿色石油化工的生产链与资源的循环利用