绿色化学——第二章 绿色化学研究内容及评价标准
绿色化学
Draths K M, Frost J W , JACS 1990, 112:9630; 1991, 113: 9361
以可再生资源为原料
150年前，大多数工业 有机化学品都来自植 物提供的生物质，仅 有少数来自动物。 工业革命采用煤为化工 原料，目前95%以上 有机化学品都是由石油 加工得到。
煤和石油：不可再生资源 生物质：可再生资源
第二章 绿色化学原理
第二章 绿色化学原理
第一节 绿色化学内涵 第二节 化学反应的原子经济学 第三节 原子经济学与环境效益 第四节 绿色化学的任务 第五节 绿色化学十二原则
绿色化学就是利用化学原理和 方法来减少或消除对人类健康、 社区安全、生态环境有害的反应 原料、催化剂、溶剂和试剂、产 物、副产物的使用和产生的新兴 学科 ，是一门从源头上减少或消 除污染的化学。
用生物质作化学化工原料是保护环境和实现可 持续发展的长远和重要发展方向，是绿色化学 的重要研究方向之一。
淀粉 （ 玉米、小麦、 土豆等）
生物质 (Biomass)
木质纤维素 (农业废料、 森林废物、草 类等）
木质纤维素是地球上最丰富的生物质，每年以
1640108吨的速度不断再生，但至今人类仅利 用了不足1.5%。
(一）催化等离子体法
Example 由二氧化碳和甲烷合成燃料油 Traditional way
CO2 + CH4
镍催化剂 高能耗，催化剂易失活 费-托合成
2CO + 2H2
合成气
燃料油
New greener way
CO2 + CH4
（天津大学，刘昌俊）
催化等离子体法
燃料油
(二）电化学方法
第二部分 方兴未艾的绿色化学—— 绿色化学的基本内容与实例
(二)LD50
在传统上，化学危险物的定量评价是用致死中量(LD50) 衡量的，它也可以在新方法未能完善前作为参考，尤其
是对化学品急性毒性的评估。
天然并非代表对人体无害。天然状态下存在的毒素通常比 简单的无机物（如KCN、As2O3）或人造毒素大得多。 肉毒杆菌毒素、发霉花生里的黄曲霉毒素，麦角酸，河豚 毒素等。
一、E因子 相对与每种化工产品而言，期望产品以外的任何东西都是废 物。一个产品生产过程中对环境造成的影响可以用E因子来衡 量。E因子定义为每生产1kg期望产品与同时产生的废物质量 的比值，即：
E因子
废物质量 产品质量
Tuesday, April 07, 2020
表3-1 不同化工部门的E因子
工业部门 炼油 基本化工 精细化工 制药
42 71 74
Tuesday, April 07, 2020
今年来发展了钛硅分子筛催化氧化的方法：
摩尔质量
C3H6 + H2O2 42 34
目标产物质量
废物量
C3H6O + H2O 58 18 58 18
原子利用率＝ 58 100％＝ 58 100％＝76％
58 18
42 34
Tuesday, April 07, 2020
Tuesday, April 07, 2020
绿色化学与环境保护的差异： 毫无疑问，化学、化工、环境保护界发展了很多创造性的处 理化学废物的方法；发展了许多分析检测空气污染、水污染 和土壤污染的方法和处理污染的技术等，这些对改善人类生 存环境、提高人类社会的生活质量，无疑是十分有益和必须 的，但这些并不能称为绿色化学。
Tuesday, April 07, 2020
绿色化学研究内容
绿色化学研究内容
绿色化学是一种注重环境可持续性的化学研究领域，旨在开发和推广环境友好型的化学反应和化学产品。
其研究内容包括：
1. 可再生能源：绿色化学致力于开发利用可再生能源，如太阳能、风能和生物质能源等，来满足化学工业的能源需求。
2. 可降解材料：绿色化学研究开发可降解的塑料和材料，以减
少对环境的负面影响。
这些材料可以通过生物降解或可回收方式处理，减少塑料垃圾的积累。
3. 可持续合成方法：绿色化学致力于发展低能耗、高效率和无
废弃物产生的化学合成方法。
这些方法可以减少化学反应中的废物生成，降低能源消耗，并改善反应的选择性和产率。
4. 替代有害物质：绿色化学研究寻找和开发替代有害物质的化
学品和工艺。
这些替代品具有较低的毒性和环境影响，可以改善人体健康和环境质量。
5. 循环经济：绿色化学倡导循环经济的理念，即将废弃物转化
为资源。
研究内容包括开发废弃物的回收利用、废物利用和再利用，以减少资源浪费和环境污染。
6. 生物催化剂：绿色化学利用生物催化剂进行合成反应，以降
低反应条件和废物生成。
这些生物催化剂可以是酶、细胞或微生物等，具有高效率和高选择性。
7. 无机绿色化学：绿色化学还研究开发无机材料和反应的环境
友好型方法。
例如，通过绿色合成方法合成无机纳米材料，应用于能
源储存、环境污染治理和催化等领域。
总的来说，绿色化学的研究内容旨在通过创新的化学方法和技术，实现可持续发展和环境保护。
第2章 绿色化学原理
4. 设计安全化学品(Design safety of
chemicals ):应设计化工产品使其保留功效，但
降低毒性。
2
•5.安全的溶剂和助剂（Security solvents and additives ）： 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(Energy Efficiency Design ):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。 •7.使用可再生原料(Use of renewable raw materials ):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.减少衍生步骤(Reduce the derived step ):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 3 试剂并可能产生废物。
Байду номын сангаас
（8）创造超过已有的或占有绝对优势的工程实施方案，对工 艺的改进革新和发明都要符合“可持续发展”的原则。 （9）要使社会团体和资本占有者积极参与工程解决方案的设 计与开发。 绿色化学工程技术就是要把当前工艺技术的原则和实践转 变到促进可持续发展的原则和实践中来。绿色化学工程技术将 具体体现技术和经济可行产品、工艺和系统的开发与实施，提 高人类的福利，保护人类健康，并将提高生物圈的保护作为化 学工程技术解决方案的标准。为保证彻底实施绿色化学工程技 术解决方案，化工工程师需要使用如上所述的“绿色化学工程 技术九条附加原则”。 绿色化学和绿色化学工程技术原则，可作为开发和评估一 条合成路线、一个生产过程、一个化学工程工艺设计、一个实 验方案、一个化合物是不是环境友好的重要标准。
简述绿色化学的研究内容
简述绿色化学的研究内容
绿色化学是一种以环境友好为目标的化学研究方法，它通过减少和消除有害化学物质的使用，从而减少对环境和人类健康的负面影响。
绿色化学的研究内容包括以下几个方面。
1.设计新的化学反应和合成方法
绿色化学的一个主要目标是开发新的化学反应和合成方法，以减少废弃物和有害物质的产生。
例如，绿色合成法可以使用可再生原料，避免有毒的溶剂和催化剂，并优化反应条件以提高反应选择性和收率。
2.开发可再生原料和能源
绿色化学的另一个重要方面是研究可再生原料和能源，例如生物质和太阳能。
这些可再生资源可以替代传统的石油和煤炭等非可再生资源，从而减少对环境的损害和对能源的依赖。
3.研究绿色催化剂和反应条件
绿色催化剂是一种在化学反应中促进反应的物质，它可以在反应中提高效率和选择性，并减少对环境的负面影响。
绿色化学的研究还包括研究绿色催化剂的合成和优化，以及开发更加环境友好的反应条件。
4.研究废弃物的利用和处理
绿色化学的另一个重要内容是研究废弃物的利用和处理。
传统的化学反应通常会产生大量的废弃物，这些废弃物会对环境造成负面影响。
绿色化学的研究可以开发新的废弃物利用方法，例如废物转化为有用的化学品或肥料等。
5.研究环境风险评估和生态毒理学
绿色化学还包括研究环境风险评估和生态毒理学。
绿色化学的研究人员需要评估新的化学反应和化学品对环境和人类健康的影响，以保证它们的安全性。
绿色化学的研究内容非常广泛，它涉及到化学反应、催化剂、原料、废弃物处理等多个方面。
绿色化学的发展可以实现化学生产过程的可持续性和环境友好性，从而为人类和环境带来更好的未来。
绿色化学第二版知识点总结
绿色化学第二版知识点总结第一章：绿色化学导论绿色化学是以人为中心的理念，旨在提供环境友好、经济可行和社会可持续的解决方案。
绿色化学的原则包括原子经济、减少有害物质使用、能源效率、生物多样性保护、安全和健康。
第二章：设计绿色合成路线设计绿色合成路线的关键是使用尽可能少的原料，减少废弃物和副产品的产生，并确保合成过程中的安全性和可持续性。
绿色合成路线的设计需要考虑原料的可获得性、反应条件的温和性以及产物的纯度和性能。
第三章：使用可再生原料可再生原料是指那些能够通过自然过程得以更新并得以持续使用的原料。
在绿色化学中，使用可再生原料可以减少对有限资源的依赖，降低对环境的影响，并带来更可持续的生产和消费方式。
第四章：理解绿色溶剂的优势在绿色化学中，选择合适的溶剂非常重要。
绿色溶剂应具有良好的生态和毒理性能，并且在生产和使用过程中能够降低对环境和健康的不利影响。
第五章：开发绿色催化剂绿色催化剂是绿色化学中的重要组成部分，它们可以在较低的温度和压力下促进化学反应的进行，减少能量消耗和废弃物的产生。
绿色催化剂的设计需要考虑其对环境和健康的影响，并确保其在反应过程中的高效性和选择性。
第六章：开发可降解的塑料塑料制品的生产和使用给环境带来了严重的污染和危害。
在绿色化学中，开发可降解的塑料是一个重要的研究方向，它可以减少对有限资源的挥霍，降低对环境的影响，并为循环经济和可持续发展提供可能。
第七章：推广绿色化学理念推广绿色化学理念是绿色化学发展的一个重要环节，它需要政府、企业和公众的共同努力。
通过宣传教育、立法法规和市场激励等方式，推广绿色化学理念，促进绿色产品和技术的应用，为建设美丽中国和美丽世界作出贡献。
第八章：绿色化学的未来展望绿色化学是未来化学发展的重要方向，它将在能源、环境、材料和生命科学等领域发挥越来越重要的作用。
未来，绿色化学将逐渐成为化学领域的主流方向，带来更多的技术创新和商业机会，为人类社会的可持续发展提供更多的可能性。
[工学]绿色化学第2章绿色化学
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2020/11/14
第二节 为什么要大力发展绿色化学
许多排放物能在环境中残留和积累 , 对环境造成破 坏。另外，化工生产中的偶然事故也会对人类和环境造 成突发性的影响，比如， 1983 年印度 Seveso 农药厂异 氰酸甲酯的泄漏造成 2000 人死亡， 30 万人中毒等。但 是，目前人类社会发展到今天已无法离开造成我们当前 物质文明的化学产品和化学工业而退回到更上一个世纪， 去过那种田园生活。尽管我们处在可怕的白色污染的包 围之中，但我们完全无法想像没有今天的高分子聚合物 产品，我们的日常生活还能否正常进行，尤其是在都市 中，这种情况更为突出。
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2020/11/14
第一节 什么是绿色化学
由于物质及人类活动本身有其内在的运动规律，因此， 任何物质和人类活动对人类本身及环境均会有或多或少 的影响，那是不是意味着“没有什么物质是友好的，我 们追求的完美无缺的绿色化学仅仅是一种理想状态而无 法实现的”呢？目前绿色化学领域取得的进展已经对此 作出了否定的回答。这方面取得的成果不仅解决了传统 方法造成的对环境、对人类健康的危害，同时在经济技 术指标、原料有效利、过程效益等方面均取得了良好效 果，因此，已成为市场驱动和利益驱动的技术。诚然， 要绝对区分哪一物质、哪一过程对环境更加无害是十分 困难的，很难构筑一张物质过程对环境危害的定量表。
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2020/11/14
第三节 化学反应的原子经济性
• 例如，由乙烯制备环氧乙烷，采用经典的氯化 乙醇法时，假定每一步反应的产率、选择性均 为 100% ，这条合成路线的原子利用率也只能 达到 25% ：
绿色化学 第二章要点
Paul T. Anastas博士
• Father of Green Chemistry
• 12条原则
• 这12项原则简述了绿 色化学的主要观点
美国建立了世界第一个绿色化学研究所 （GCI）。1997年5月先是由工业界，学术 界，国家重点实验室等在互联网上组成的 虚拟非盈利组织，目前已在17个国家有它 的联合组成部分。2001年初GCI已与ACS 合作，以便加强化学在环境研究中的作用。 GCI 已 在 ACS 总 部 中 设 立 办 公 室 ， 并 且 ACS将提供给GCI核心基金。
绿色化学 Green Chemistry
第二章 绿色化学的基本概念
1
本章内容
• 绿色化学的诞生 • 绿色化学的定义 • 绿色化学的内容 • 绿色化学的原则 • 原子经济性 • 绿色化学奖简介
第一节 绿色化学的诞生
• 1. 环境保护的警世之作——《寂静的春天》：
1962年，美国女科学家Rachel Carson所著《Silent Spring》出版，书中详细地叙述了DDT等杀虫剂 对各种鸟蛋的影响，使鸟类数量急剧减少，使原 来花红叶绿、百鸟歌唱的春天变得“一片寂静”。
• 1990年，美国颁布了污染防止法案，将污染防止 确定为美国的国策。绿色化学在这一背景下应运 而生。绿色化学的目标是改变现有化学化工生产 的技术路线，实现从“先污染，后治理”向“从 源头上根除污染”的转变。
• 目前，世界各国对绿色化学与化工技术的研究十 分重视，进展非常迅速，已出现一批生产大宗有 机化学品的绿色化学技术。可以预见，绿色化学 将成为实现经济和社会可持续发展的有效手段。
先污染后治理
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；
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绿色化学研究任务
设计安全有效的目标分子 寻找安全有效的反应原料 寻找安全有效的合成路线 寻找新的转化方法 寻找安全有效的反应条件
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绿色化学产品及过程绿色度的定量评估
考虑因素 是否产生污染、对人类健康有害 原料资源是否得到有效利用 是否可以再生 是否能促进经济、社会的可持续发展
生物技术 包括基因工程、细胞工程、酶工程和微生物工程， 最大特点在于能充分利用生物质资源，节约能源，易于 实现清洁生产，而且可以实现一般化工技术难以实现的 化工过程 催化技术 酶催化：反应条件温和，控制容易，副反应少，环境污 染小 纳米催化剂：催化活性和选择性都大大优于常规催化剂 光催化氧化法设备简单，操作条件易控制，氧化能力强， 无二次污染
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绿色化学产品及过程绿色度的定量评估
原子经济性和反应速率立足于化学反应本身 环境因子给出废弃物的量 环境熵衡量环境友好生产过程的程度 生命周期评价从系统的角度给出了产品形成的全过程
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绿色化学技术
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绿色化学研究内容
绿色化工过程系统集成 从分子一聚集体一颗粒一界面一单元一过程一工厂一工 业园的全过程 主要研究与“化学供应链”相关的过程工程或产品工程 的创造、模拟、优化、分析、合成/集成、设计和控制 等问题，并将环境、健康和安全对过程或产品的影响作 为约束条件或目标函数嵌入模型中，以多目标、多变量、 非线性为重要特征，以全系统的经济、环境和资源的协 调最优为最终目标
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绿色化学技术
膜技术 包括膜分离技术和膜催化技术。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。 膜分离技术具有成本低、能耗少、效率高、无污染、可 回收有用物质等优点 膜催化反应可以“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。
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绿色化学研究内容
过程强化与耦合技术 在常规化学反应基础上，采用新技术进行过程强化，可 使反应得以强化。 微波应用于有机反应，能大大加快化学反应的速度，缩 短反应时间，具有产物易于分离、产率高等优点 超声波能加快反应速度、缩短反应时间、提高产率和反 应选择性、反应条件温和等特点，广泛应用于有机合成。 紫外光和可见光对于某些材料，如二氧化钛、半导体等， 具有激发其介电子的某些能带的作用，光源本身及受光 源激发的材料具有良好的氧化性能，已广泛用于氧化反 应、污染物处理等
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绿色化学研究内容
绿色溶剂 超临界流体 温度和压力处于临界条件以上的流体， 密度接近液体而粘度却接近气体，扩散系数比液体大 10倍左右。 固定化溶剂 用聚合物充当溶剂，这类聚合物与常规用 于化学合成、分离和清除等过程中的溶剂有类似的溶剂 化性能。既可以保持溶解性，又不挥发，避免溶剂的挥 发性对人和环境的影响。可将溶剂分子束缚在固定载体 上，或者直接将溶剂分子键在聚合物链上作固体化溶剂。
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绿色化学研究内容09 绿色化学研究内容
绿色合成工艺 利用绿色能源 再生能源如太阳能、风能等 资源再生和循环使用技术 自然界的资源自限，回收、再生和循环使用各种化学品 也是绿色化学研究的一个重要领域。如回收废弃塑料， 再生或再生产其他化学品、燃料油或焚烧发电供气；设 计合理的工业生产流程，使每一个反应所产生的废物成 为另一个反应的原料，以实现废物”零排放”的目的。
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绿色化学研究内容
绿色催化剂 生物催化剂 在生物细胞中形成可加速体内化学反应的物质。以酶为 主，具有反应步骤少、催化效率高、副产物少和产物易 分离纯化等优点。用于有机酸、氨基酸、核苷酸、抗生 素和甾体激素等化合物的工业化生产 固体酸碱催化剂 有效地减少甚至避免对环境的污染，同时也容易回收。 如日本东京技术研究院合成硫酸基团密度较高的碳基同 体酸催化剂，可有效催化水解、酯化、烷基化、水合以 及重排等，易于从反应产物中移除，避免无机酸带来的 废水处理问题
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绿色化学产品及过程绿色度的定量评估
评价标准 环境熵 环境因子E与废弃物在环境中的行为给出的废弃物对环 境的不友好程度Q的乘积 该指标考虑了废弃物排放量和废弃物的环境行为本质的 综合表现 通过环境嫡可以充分衡量环境友好生产过程绿色化学研究内容
新型分离技术 在美 国各 种分离过程耗费了工业所消耗能源总量的 6%，占工厂花费的70% 分离追求的目标是节省能源、减少废物、避免废物盐的 产生、减少循环、避免或减少有机溶剂的使用等 超临界流体萃取、分子蒸馏以及膜的使用以及生物分子 和大分子的分离是研究的焦点
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绿色化学产品及过程绿色度的定量评估
评价标准 环境因子 该指 标 考 察化学品制备全过程对环境造成的影响，由 荷兰著名学者Sheldon于1992年提出。指全过程中所 产生的废物质量与目标产物质量的比值。 不仅针对副产物，还包括了在纯化过程中所产生的各类 物质，如中和反应时产生的无机盐和各类计量试剂等。 往往步骤越多，伴随生成物也越多，产品越精细，附加 值越高，E值也越大。 环境 因 子 虽然考虑了全过程所产生的废弃物，但这些 废弃物排放到环境后，不同类型的废弃物对环境的污染 程度不同，应该有不同的权重。
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绿色化学产品及过程绿色度的定量评估
评价标准 反应速率 在整个生产过程中没有任何废弃物生成，如果反应速率 很慢，也难得到工业应用，较慢的反应速率意味着更多 的生产成本。以清洁生产为目的的绿色化学必须考虑到 经济可行性。 考虑 到 原 子经济性、环境因子、环境嫡以及反应速率 等因素，化学产品可顺利地生产。但化学产品的形成涉 及从分子设计、产品结构到工业化生产，以及使用和废 弃等多个不同阶段和多个层次，因此需要从系统的角度 来优化化学产品的全过程。
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绿色化学研究内容
绿色溶剂 离子液体 没有电中心分子，且完全由阳离子和阴离子组成的液 态物质，熔点通常低于100一150℃。 特点：几乎没有蒸气压，不挥发，无色，无嗅；具有较大的稳定 温度范围，较好的化学稳定性及较宽的电化学稳定电位窗口；通 过阴阳离子的设计可调节其对有机物、水、有机物及聚合物的溶 解性，酸度可调至超强酸 无溶剂有机反应 反应的发生起源于两个反应物分子的扩散接触， 接着发生反应，生成产物分子。此时生成的产物分子作为一种杂 质和缺陷分散在母体反应物中，当产物分子聚集到一定大小，出 现产物的晶核，并逐步长大至少立晶相。微波与无溶剂反应技术 相结合，具有安全、快速、易操作、选择性好的特点
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绿色化学研究内容
过程强化与耦合技术 反应与分离的耦合使反应与分离在同一区域完成，且彼 此性能更佳：如反应物的不断动态移走使反应平衡发生 移动，而反应的顺利进行有利于分离效率的进一步提高。 反应与分离的耦合可缩短整个反应时间，减少中间产物 与反应体系之间的分离和提纯，充分有效利用反应器， 减少中间产物的损失。特别是对于不稳定的中间物种， 通过原位生成中间物种立即用于下个反应中，可充分提 高中间物种的利用效率，对于同时存在吸热和放热反应 来说，放热反应的热量可以填补或部分填补吸热反应的 需要。
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绿色化学研究内容
计算化学与绿色化学化工结合 借助于量子化学计算的结果，精确地选择底物分子、催 化剂、溶剂以及反应途径，使用尽可能少的实验达到预 期目标，大大减少实验次数，在研发阶段从根本上减少 了原料的消耗，相应减少环境污染的排放，大大提高研 究效率。 模拟是绿 色化工技术开发的重要工具，是在计算机上 快速建立试验模型，具有比实验室和工厂成本低和快速 的特点，将重点用于研究原料、反应器设计、过程开发、 经济和商业模型模拟等复杂问题
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原料的绿色化 利用可再生资源做为原料 如超临界二氧化碳加氢生成 甲酸 采用低毒或无毒无害的原料代替高毒原料 如在羰基化 反应中用碳酸二甲酯（DMC）代替剧毒的光气(COCl2) 绿色氧化剂如氧气、双氧水因最终的氧化产物为水，已 经在多类反应过程中替代传统的氧化剂，反应条件更加 温和，选择性更高 酶反应大多条件温和，设备简单，选择性好，副反应少， 产品性质优良，不产生新的污染，酶将取代许多现在使 用的化学催化剂
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绿色化学产品及过程绿色度的定量评估
评价标准 生命周期评价 根据产品评价的目标(如技术、经济、环境性能等)，对 产品生命周期的各个阶段进行跟踪和定量分析与定性评 价，从而获得产品相关信息的总体情况，为产品性能的 改进提供完整、准确的信息。 范围包括从最初的原材料采掘、生产到产品制造、使用， 以及产品废弃后的处理等全过程。 该指标常用于针对产品及其生产过程的环境评价方法， 是在工业上实现产品和过程绿色化的系统方法，目前已 用于产品的评价和选择中
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绿色化学研究内容
绿色产品设计步骤 建立一个已知的有机合成反应尽可能全的资料库 确定目标产物，找出一切可产生目标产物的反应 将这些反应的原料作为中间目标产物找出一切可产生它 们的反应 依此类推下去，直到得出一些反应路线正好使用预定的 原料 在搜索过程中，计算机按评估方法自动比较所有可能的 反应途径，随时排出不适合的，以便最终找出价廉物美、 不浪费资源、不污染环境的最佳途径
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绿色化学产品及过程绿色度的定量评估
评价标准 原 子 经济性 该指标考虑参加反应的原料利用率 (Atom Utilization， 简称AU) ，即为目的产物的摩尔质量与所有反应物摩尔 质量之和的比值 考察原料分子中究竟有多少转化为产物，其目标主要在 于设计化学反应时，应使原料分子中的原子最大限度或 全部进入目的产物中 原子 经 济 性仅给出了原料中的原子转化为目的产物的 情况，但没有考察到合成过程中中间步骤所使用的各类 试剂和助剂的情况