循环经济的工程科学基础.ppt

循环经济的 工程科学基础 金 涌 胡山鹰 陈定江 清华大学化工系 生态工业研究中心 推动循环经济不仅是我国经济可持续发展 重要的、紧迫的、必然的、根本的出路， 而且 在工程科学层面上也是可行的。 循环经济追求的目标 充分、重复、循环利用资源。 优化利用能源，可再生能源开发。 环境与生态保护 效率和利润最大化、精细化、高附加值化 ——同时用这四条标准，审视所有现行生产过程。 自然生态的循环发展模式 循环经济的自然科学基础 Prigogine 的自组织概念 生态工业工程技术开发原则 进化替代原则：新资源、新材料、新产品、新工艺引入,高附加值化 减量化原则：分子设计、智能化产品 再利用原则：梯级、重复、循环利用资源、能源 再资源化原则：静脉产业开发、废物再利用 综合共生原则：共生多联产、综合利用 集成优化原则：区域内物流、能流、信息流、资金流的集成优化。 I、进化替代原则 ——清洁生产替代技术 采用绿色原料 代替光气（COCl2）为原料制备 异氰酸酯，碳酸二甲酸，聚碳酸酯等 代替氢氰酸为原料制备 　 甲基丙烯酸，叔丁胺，氨基二乙酸钠，丙烯腈等 采用绿色催化剂与工艺 采用分子筛、固体酸为催化剂代替HF，H2SO4 ，H3PO5，BF3，AlCl3 等污染催化剂 采用绿色溶剂 采用环戊烷，戊烷为发泡剂 采用己烷油，碳酸二甲酯，N－甲基吡啶烷酮为萃取剂 采用超临界CO2 ，H2O为溶剂进行合成、聚合，氧化反应或造粒、包涂 I. 进化替代原则 ——清洁生产替代技术 二、环境友好产品的生产 将废弃物生物质转化为动物饲料、燃料等 （获美国总统绿色化学挑战奖， Texas AM 学院Holtzappll 教授） 生物降解塑料,清洁燃油技术，生物柴油制备 三、提高反应产品的专一性，反应的选择性和收率 利用催化剂晶格氧进行烃类氧化反应，新催化剂（如钛硅分子筛）的利用等 四、“原子节约”反应工艺路线的开发 异丙苯氧化法生产苯酚、丙酮等 五、生化合成技术 “原子节约”工艺优先 原子节约反应路径： 以合成环氧丙烷为例(原子利用率) 氯醇法(28.4%) CH3CH=CH2 + Cl2 - CH3CH(OH)CH2Cl + HCl CH3CH(OH)CH2Cl + HCl + Ca(OH)2 - + CaCl2 液相氧化法(76%) CH3CH=CH2 + H2O2 - + 2H2O 气相氧化法(100%) CH3CH=CH2 + ? O2 - I. 进化替代原则 —解决白色污染的技术进化 在塑料制品成型时，加入大量淀粉?纤维素，可以使废弃时，塑料制品分散成小粒。 采用发酵法生产乳酸?聚乳酸可降解塑料。 采用细胞培养法在大肠杆菌内生成可代谢塑料，聚羟基丁酸酯（PHB）用于人造血管?骨钉?缝线。 美国“总统绿色化学挑战奖”一、更新合成路线奖 二、改进溶剂和反应条件奖 三、设计更安全化学品奖 四、小企业奖 五、学术奖 I. 进化替代原则 ——全生命周期清洁产品开发 ——包涂技术用于灵巧农药、医药 用于高毒性农药的微量缓释技术，如纳米插层缓释 用于灵巧药品制备 维生素、肝炎疫苗（防分解） 代血浆（A异体血红蛋白 ＋B复合酶，防异体排斥） 定向组织进化（干细胞 ＋复合酶） 致导型药物制备 II、减量化原则 ——煤的液化方案选择 低物耗工艺优先 ——煤的液化方案选择 二甲醚合成：中压反应，产品为柴油代用品，与柴油相比，发动机效率高10％－15％，噪音低10分贝，排气清洁程度符合欧洲－3标准，能耗物耗低（折合2.6吨标准煤/吨液体燃料） 甲醇合成：中压反应，可与汽油混用或独用，发动机出力较低，能量密度低，有毒性，能耗物耗低（折合2.5吨标准煤/吨液体燃料） II、减量化原则 —低能耗工艺优先 II、减量化原则 —物流循环减量化 低物质化方法： 替代－－如四乙基铅，氟利昂…的禁用 创新－－25Kg光纤传输量相当于1吨铜线传输量（生产中的能耗减少95％） 信息化－－无纸办公等 高性能化－－高强度，低密度，材料制造工艺 分子租用（Rent a Molecule）－－如溶剂，催化剂等 III. 循环再利用原则 ——副产物再利用 通过化学加工，进行资源循环利用 III、循环再利用原则 双层流化床 太阳能的利用