《工业催化(第3版)》教学课件—05环保催化与环境友好催化技术.pptVIP

* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * ５.４　大气层保护与催化技术 ５.４.１　保护臭氧层的催化技术 在地球表面１５～５０ｋｍ的上空，存在着一臭氧层，它对滤阻太阳紫外线对地球上生物的杀伤和破坏起到重要作用。臭氧是Ｏ２受到阳光照射的产物。反应如下 ５.４.２　控制温室效应气体排放的催化技术 温室效应是指，由于大气层中的某些气体对太阳辐射的红外线吸收而导致大气层温度升高、地球变暖的现象。温室效应破坏了生态环境，对自然界和人类社会造成众多的危害。例如，近年来气候“走极端”的反常现象越来越明显，故引起全球的普遍关注。 ５.５　环境友好的催化技术 ５.５.１　“零排放”与绿色化学 绿色化学共有１２条原则，包括： ①防止废弃物的产生，而不是产生后再来处理； ②合成方法应设计尽可能将所有起始物嵌入到最终产物中去； ③只要可能，合成方法应设计成反应中使用和生成的物质对人体健康和环境无毒或毒性很小； ④设计的化学产品应在保护其应有功能的同时尽量使其无毒或毒性很小； ⑤尽量不使用辅助性物质（如溶剂、分离试剂等），如果一定要用，也应使用无毒物质； ⑥能量消耗应越少越好，应能为环境和经济方面所认可，合成方法应在常温、常压下实施； ⑦只要技术上和经济上是可行的，使用的原材料应是可以再生的； ⑧应尽量避免不必要的派生过程（屏蔽基团、保护／去保护、物理／化学过程的临时性修饰）； ⑨尽量使用具有催化选择性的试剂，好过使用计量比试剂； ⑩化学产品的设计应保留其功能，而减少其毒性，当完成自身功能后不再滞留于环境中，可降解为无毒的产物； ⑾需要开发实时、跟踪监控的分析方法，且预先监控有毒物质的形成； ⑿化学物质及其在化工过程使用中的物态，应选择为潜在化学随机事故最小。 ５.５.２　“原子经济”、“Ｅ因子”与绿色化工生产 环境立法规范化工生产、化工过程需要采用清洁方法，即绿色化工生产。如工艺过程需要降低或消除废弃物的产生；避免使用有毒、有危害性的试剂和溶剂等。这种趋向需要从传统过程效率概念，即以收率概念移向消除废弃物的经济价值。 分析化学工业的不同门类和不同规模，可由生产每千克产物所形成的废弃物量来衡量化工过程的“绿色特征”。此量表示为化工过程的Ｅ因子，定义为 ５.５.３　环境友好催化技术的案例分析 ５.５.３.１　环境友好与择形催化技术 分子筛是一种理想的适合于创造环境友好工艺的催化剂。因为它能择形催化，提供超高级别的反应选择性，具有很高的活性中心密度，能产生较高的反应速率；它可以再生，即使废弃也能与环境兼容，因为其自身就是天然原料，合成的与天然的完全相同。 ５.５.３.２　环境友好与清洁氧化技术 传统的催化氧化工艺都是环境有害的，反应的选择性低，副产物对目的产物的体积比都很大，传统的氧化剂如Ｋ２Ｃｒ２Ｏ７、ＫＭｎＯ４等应用了１００多年，副产有害的无机盐；烷基过氧化物ＲＯＯＨ作氧化剂也有４０年以上的历史，副产的醇类化合物也成为有机废弃物，对环境不友好。最好的环境友好氧化剂是Ｏ２和Ｈ２Ｏ２，它们反应后变成Ｈ２Ｏ，无污染。 ５.５.３.３　环境友好与水相催化 用Ｈ２Ｏ代替有机物作反应介质，有利于环境友好。Ｈ２Ｏ分子不是惰性的，对反应物能起活化作用，产生溶剂效应；另外，Ｈ２Ｏ分子对众多络合中心金属离子是良好的配体，有竞争作用。 ５.５.３.４　环境友好的溶剂催化技术 ＳＣ-ＣＯ２和液态ＣＯ２可以很好地溶解一般较小分子量的有机化合物，若再加入适当的表面活性剂，也可使许多工业材料如聚合物、重油、蛋白质、重金属等溶解。虽然ＣＯ２是温室气体，但采用ＳＣ-ＣＯ２不会带来大气层新的危害。因为使用的ＣＯ２是从氨厂或天然气矿井副产回收的，利用后不会排放，易于由ＳＣ-ＣＯ蒸发成气体回收。 离子液体作为反应介质是许多研究发展的热点，目前主要涉及两个问题： 一是经济成本较高； 二是毒性，但可以通过调度阴离子和结构加以克服。 ５.６　光催化在环境科学中的应用和光催化环保功能材料 ５.６.１　环境光催化———光催化裂解过程 光催化是在光的辐照下使催化剂周围的Ｏ２和Ｈ２Ｏ转化成极具活性的氧自由基，氧化力极强，几乎可分解所有对人体或环境有害的有机物质。可用作光催化剂的化合物，大多是具有半导体性质的，如ＴｉＯ、ＺｎＯ、ＷＯ以及ＣｄＳ、ＺｎＳ等。 光催化原理：当ＴｉＯ２吸收光子能量后，其价带上的一个电子跃迁到导带；原价带保留一个空缺，称为空穴，带正电荷。跃迁电子和电空穴都极不稳定，可以供给周围介质，使其还原或氧化。 图５－１０　ＴｉＯ２光照产生电子－空穴及其氧化－还原示意图 图５－１１　苯的ＰＣＤ示意图 ５.６.２　光催化环保功能材料 光诱导ＴｉＯ２显示两种特性：一种是亲油亲水双性；另一种是抗菌能力。由此引申出多种环境保护功能材料，如防锈材料、清凉建材、玻璃涂