第9卷 第1期天津农学院学报Vol·9,No·1 2002年3月Journal of Tianjin Agricultural College March,2002文章编号:1008-5394(2002)01-0009-04化学反应的原子经济性及零排放在实际生产中的体现 杨家玲,霍爱新,高洪苓(天津师范大学化学与生命科学学院,天津300074)摘 要:概述了原子的经济性与环境保护的关系,并介绍了零排放在化工生产中的实际应用,对21世纪的化学发展提出了希望。关 键 词:原子经济性;零排放;闭路循环;生产的洁净性中图分类号:O621.13 文献标识码:AAtom Economy of Chemical Reaction andEmbody of Application of Zero Emission to ProductionYANG Jia-ling,HUO Ai-xin,GAO Hong-ling(Institute of Chemistry and Life Science,Tianjin Normal University,Tianjin 300074,China)Abstract:The relation between the atom economy and the environment protection is summarized.The application of zeroemission to chemical production is introduced.Also,the wishes to chemical progress in the 21st century are promoted.Key words:atom economy;zero emission;closed cycle;cleaning of production随着21世纪的到来,社会的可持续发展及其所涉及的生态、环境、资源、经济等方面的问题越来越成为国际社会关注的焦点,被提到战略的高度。更为严厉的保护环境的法规不断出台,促进化工界把注意力集中到从本源上杜绝或减少废弃物的产生,即原始污染的预防,而并非产生污染后的治理。当今的许多化工产品及其生产过程多以20世纪前50 a,甚至是更久远的技术为基础发展起来的,它们对人类的衣食住行和医疗保健等方面作出贡献的同时,也对环境产生诸多不良影响。这对科学技术必然提出新的要求:对化学,尤其是合成化学更是提出了挑战,同时也提出了科学发展机会。环境的洁净性、化学反应的原子经济性正成为技术的主要推动力[1~7]。1 Witing反应与原子经济性1991年美国著名的有机化学家Trost提出原子经济性的概念(Atom economy),认为高效的有机合成反应应最大限度地利用原料分子的每一个原子,使之结合到目标分子中去,达到零排放(Zeroemission)。他认为合成效率成了当今合成方法学研究中关注的焦点。合成效率包括两个方面,一是选择性,二是原子经济性,即原料分子中究竟有百分之几的原子转化成了产物。一个有效的合成反应不但要有高度的选择性,而且必须具备较好的原子经济性。理想的原子经济性的反应应该是原料分子中的原子百分之百地转变为产物,不需要附加,或仅仅需要无损耗的促进剂,即催化剂。例如在A+B→C+D的反应中:C为产物,D为副产物。在原子经济的反应中,D应减至非常小或接近零,即:A+B→C。原子经济性反应的实例:1.1 环氧乙烷的生产用传统的氯醇法合成环
氧乙烷,其原子利用率只有25% ,而采用乙烯催化环氧化方法仅需一步反收稿日期:2001-09-21作者简介:杨家玲(1943-),女,天津市人,教授,1990年以来先后在刊物上发表论文21篇,著作2本。从事多项应用化学及环境化学科研课题研究,其中有3项通过市级、局级技术鉴定,结论均为国内首创,国际先进。有2项获优秀发明奖,1项获全国发明展览会银牌,1项获国家级专利。·10·天津农学院学报第9卷第1期杨家玲,等:化学反应的原子经济性及零排放在实际生产中的体现·11··12·天津农学院学报第9卷学反应的集成,即把一个反应排出的废物作为另一个反应的原料,从而通过 封闭循环"实现化工生产的零排放。3.1 零排放在化肥生产中的体现磷酸磷铵生产是化肥工业中的一个重要组成部分。随着国内外对磷酸磷铵和重过磷酸钙需求量的不断增长,产生的 三废"也随之大幅度增加,特别是磷石膏废渣,一般每生产1 t磷酸要排出5 t磷石膏,到2000年我国排放的该种废渣已超过2 000万t。它们不仅占地面积大,而且对环境造成严重污染。在发展绿色化工生产,变废为宝的思想指导下,该战线的科技人员将排除的 三废"作为生产过程的中间产品加以综合利用,实现了生产过程零排放的理想目标。3.1.1 利用磷矿萃取工艺中产生的废气(HF)生产有用的化工原料Na2SiF6,其原理为:4HF+SiO2=SiF4+2H2O3SiF4+3H2O=2H2SiF6+SiO2·H2O↓H2SiF6+2Na2SO4=Na2SiF6↓+H2SO43.1.2 利用磷矿萃取工艺中产生的废渣生产氮、磷、钾三元复合肥料氯化钾铵母液再与磷铵料浆混合即制得含氮、磷、钾三大营养元素的三元复合肥。3.1.3 湿法磷酸生产中的含磷酸性废水(主要含H2SO4)重新导入磷矿萃取工艺中,实现废液的闭路循环,达到零排放的目标。3.2 零排放在绿色工艺原料生产中的体现CaSO4·2H2O+(NH4)2CO3=(NH4)2SO4+CaCO3↓+2H2O2(m+1)KCl+(m+1)(NH4)2SO4=mK2SO4·(NH4)2SO4+2mNH4Cl·KCl碳酸二甲酯(简称DMC)是一个绿色化学品,其毒性很低,研究表明,DMC的毒性远远小于目前常用的化工原料光气、硫酸二甲酯。欧洲于1992年将其列为无毒化学品。DMC分子式为(CH3O)2CO,是无色透明液体,难溶于水,可与乙醇、乙醚、丙酮等多种有机物混溶,对金属无腐蚀性。由于结构中有甲基、羰基和甲氧基等基团,可以进行羰基化、甲基化、甲氧基化反应,因此在有机合成中作为羰基化剂、甲酯化剂、甲基化剂,还作为低毒溶剂、汽油添加剂等使用,近年来还用它制造长链烷基碳酸酯(合成润滑油材料)以及对称二氨基脲(锅炉清洗剂)等新产品。碳酸二甲酯作为21世纪的重要化工产品,目前正受到世界各国越来越多的重视,已逐步形成了一个以DMC为核心的有机合成 新基石"。
2000年我国有关科研部门完成了酯交换法生产的零排放。该项生产以环氧乙烷和CO2均相催化合成碳酸亚丙酯,然后由碳酸亚丙酯与甲醇催化合成DMC,并联产丙二醇:不难看出,化工生产的洁净性及零排放是极为重要的。正像20世纪初化学给人类迎来绚丽多彩的生活一样,它在21世纪的挑战中也一定能继续发挥巨大作用。化学决不像有些悲观论者认为的那样,正在被肢解,而是在发展,不断适应新的形式,以其独有的特色,发挥其他学科所不能发挥的作用。参考文献:[1] 朱清时.绿色化学专辑(前言)[J].大学化学,1997,12:6.[2] 闵恩泽.绿色化学进展[J].化学进展,1998,10:2.[3] 邹盛欧.碳酸二甲酯的制造技术及其应用[J].化学工程师,1993,(1):40-42.[4] 黄隐华,张允湘,钟本和.磷石膏制硫酸铵的模型试验研究[J].磷肥与复肥,1996,(2):20-25.[5] 姚国欣.科技进步与学科发展(下册)[M].北京:中国科学技术出版社,1998.530.[6] 王佛松.展望21世纪的化学[M].北京:化学工业出版社,2000.90.[7] 史捍民.企业清洁生产实施指南[M].北京:化学工业出版社,1997.103.
第9卷 第1期天津农学院学报Vol·9,No·1 2002年3月Journal of Tianjin Agricultural College March,2002文章编号:1008-5394(2002)01-0009-04化学反应的原子经济性及零排放在实际生产中的体现 杨家玲,霍爱新,高洪苓(天津师范大学化学与生命科学学院,天津300074)摘 要:概述了原子的经济性与环境保护的关系,并介绍了零排放在化工生产中的实际应用,对21世纪的化学发展提出了希望。关 键 词:原子经济性;零排放;闭路循环;生产的洁净性中图分类号:O621.13 文献标识码:AAtom Economy of Chemical Reaction andEmbody of Application of Zero Emission to ProductionYANG Jia-ling,HUO Ai-xin,GAO Hong-ling(Institute of Chemistry and Life Science,Tianjin Normal University,Tianjin 300074,China)Abstract:The relation between the atom economy and the environment protection is summarized.The application of zeroemission to chemical production is introduced.Also,the wishes to chemical progress in the 21st century are promoted.Key words:atom economy;zero emission;closed cycle;cleaning of production随着21世纪的到来,社会的可持续发展及其所涉及的生态、环境、资源、经济等方面的问题越来越成为国际社会关注的焦点,被提到战略的高度。更为严厉的保护环境的法规不断出台,促进化工界把注意力集中到从本源上杜绝或减少废弃物的产生,即原始污染的预防,而并非产生污染后的治理。当今的许多化工产品及其生产过程多以20世纪前50 a,甚至是更久远的技术为基础发展起来的,它们对人类的衣食住行和医疗保健等方面作出贡献的同时,也对环境产生诸多不良影响。这对科学技术必然提出新的要求:对化学,尤其是合成化学更是提出了挑战,同时也提出了科学发展机会。环境的洁净性、化学反应的原子经济性正成为技术的主要推动力[1~7]。1 Witing反应与原子经济性1991年美国著名的有机化学家Trost提出原子经济性的概念(Atom economy),认为高效的有机合成反应应最大限度地利用原料分子的每一个原子,使之结合到目标分子中去,达到零排放(Zeroemission)。他认为合成效率成了当今合成方法学研究中关注的焦点。合成效率包括两个方面,一是选择性,二是原子经济性,即原料分子中究竟有百分之几的原子转化成了产物。一个有效的合成反应不但要有高度的选择性,而且必须具备较好的原子经济性。理想的原子经济性的反应应该是原料分子中的原子百分之百地转变为产物,不需要附加,或仅仅需要无损耗的促进剂,即催化剂。例如在A+B→C+D的反应中:C为产物,D为副产物。在原子经济的反应中,D应减至非常小或接近零,即:A+B→C。原子经济性反应的实例:1.1 环氧乙烷的生产用传统的氯醇法合成环
氧乙烷,其原子利用率只有25% ,而采用乙烯催化环氧化方法仅需一步反收稿日期:2001-09-21作者简介:杨家玲(1943-),女,天津市人,教授,1990年以来先后在刊物上发表论文21篇,著作2本。从事多项应用化学及环境化学科研课题研究,其中有3项通过市级、局级技术鉴定,结论均为国内首创,国际先进。有2项获优秀发明奖,1项获全国发明展览会银牌,1项获国家级专利。·10·天津农学院学报第9卷第1期杨家玲,等:化学反应的原子经济性及零排放在实际生产中的体现·11··12·天津农学院学报第9卷学反应的集成,即把一个反应排出的废物作为另一个反应的原料,从而通过 封闭循环"实现化工生产的零排放。3.1 零排放在化肥生产中的体现磷酸磷铵生产是化肥工业中的一个重要组成部分。随着国内外对磷酸磷铵和重过磷酸钙需求量的不断增长,产生的 三废"也随之大幅度增加,特别是磷石膏废渣,一般每生产1 t磷酸要排出5 t磷石膏,到2000年我国排放的该种废渣已超过2 000万t。它们不仅占地面积大,而且对环境造成严重污染。在发展绿色化工生产,变废为宝的思想指导下,该战线的科技人员将排除的 三废"作为生产过程的中间产品加以综合利用,实现了生产过程零排放的理想目标。3.1.1 利用磷矿萃取工艺中产生的废气(HF)生产有用的化工原料Na2SiF6,其原理为:4HF+SiO2=SiF4+2H2O3SiF4+3H2O=2H2SiF6+SiO2·H2O↓H2SiF6+2Na2SO4=Na2SiF6↓+H2SO43.1.2 利用磷矿萃取工艺中产生的废渣生产氮、磷、钾三元复合肥料氯化钾铵母液再与磷铵料浆混合即制得含氮、磷、钾三大营养元素的三元复合肥。3.1.3 湿法磷酸生产中的含磷酸性废水(主要含H2SO4)重新导入磷矿萃取工艺中,实现废液的闭路循环,达到零排放的目标。3.2 零排放在绿色工艺原料生产中的体现CaSO4·2H2O+(NH4)2CO3=(NH4)2SO4+CaCO3↓+2H2O2(m+1)KCl+(m+1)(NH4)2SO4=mK2SO4·(NH4)2SO4+2mNH4Cl·KCl碳酸二甲酯(简称DMC)是一个绿色化学品,其毒性很低,研究表明,DMC的毒性远远小于目前常用的化工原料光气、硫酸二甲酯。欧洲于1992年将其列为无毒化学品。DMC分子式为(CH3O)2CO,是无色透明液体,难溶于水,可与乙醇、乙醚、丙酮等多种有机物混溶,对金属无腐蚀性。由于结构中有甲基、羰基和甲氧基等基团,可以进行羰基化、甲基化、甲氧基化反应,因此在有机合成中作为羰基化剂、甲酯化剂、甲基化剂,还作为低毒溶剂、汽油添加剂等使用,近年来还用它制造长链烷基碳酸酯(合成润滑油材料)以及对称二氨基脲(锅炉清洗剂)等新产品。碳酸二甲酯作为21世纪的重要化工产品,目前正受到世界各国越来越多的重视,已逐步形成了一个以DMC为核心的有机合成 新基石"。
2000年我国有关科研部门完成了酯交换法生产的零排放。该项生产以环氧乙烷和CO2均相催化合成碳酸亚丙酯,然后由碳酸亚丙酯与甲醇催化合成DMC,并联产丙二醇:不难看出,化工生产的洁净性及零排放是极为重要的。正像20世纪初化学给人类迎来绚丽多彩的生活一样,它在21世纪的挑战中也一定能继续发挥巨大作用。化学决不像有些悲观论者认为的那样,正在被肢解,而是在发展,不断适应新的形式,以其独有的特色,发挥其他学科所不能发挥的作用。参考文献:[1] 朱清时.绿色化学专辑(前言)[J].大学化学,1997,12:6.[2] 闵恩泽.绿色化学进展[J].化学进展,1998,10:2.[3] 邹盛欧.碳酸二甲酯的制造技术及其应用[J].化学工程师,1993,(1):40-42.[4] 黄隐华,张允湘,钟本和.磷石膏制硫酸铵的模型试验研究[J].磷肥与复肥,1996,(2):20-25.[5] 姚国欣.科技进步与学科发展(下册)[M].北京:中国科学技术出版社,1998.530.[6] 王佛松.展望21世纪的化学[M].北京:化学工业出版社,2000.90.[7] 史捍民.企业清洁生产实施指南[M].北京:化学工业出版社,1997.103.