绿色催化的发展
6页1、绿色催化的进展与前景(张国伟 辽宁石油化工大学)1 绿色催化的定义催化是化学工业的基石。许多国家尤其是发达国家,非常重视催化技术的发 展和催化剂的创制,均将催化技术作为新世纪优先发展的领域。催化过程,包括各 种形式的化学催化和生物催化,是实现高原子经济反应的重要途径。为克服传统 化学反应带来的环境危害,目前,学术界和化工界正致力于发展环境友好的催化 过程绿色化学是20 世纪末崛起的一门新兴学科,相对于传统化学它是未来化学 化工发展的主要方向之一。它的英文名字为Green Chemis try,又有人称之为环 境无害化学(Environment-tally benign chemistry ),在其基础上发展的技术称环境 友好技术(Environmentally friendly technology)、绿色技术(Green technology)或洁 净技术(Clean technology)o绿色化学与技术的目的是依靠科技的发展,创造出生 产单位产品的产污系数最低而资源及能源消耗最少的先进工艺技术,从化学反应 人手根本上减少环境污染,而不是开发对废气、废水、废渣等治理的环保局部性 终
2、端治理技术。绿色化学的研究主要是围绕化学反应、原料、催化剂、溶剂和产 品的绿色化开展的。它的定义是, 利用化学的技术和方法去减少或消灭那些对人 类健康和生态环境有害的原料、催化剂、溶剂和试剂、产物及副产物等的使用和 产生。发展“绿色化学”技术的思想首先在欧美国家产生。 1995 年, 美国设立“总 统绿色化学挑战奖1”, 并设专门机构推动其发展。与此同时, 欧洲也提出“可持 续发展化学工业”的概念。日本紧随其后, 于1998 年设立了“化学技术战略推进 机构”, 主张确立新的化学技术体系, 并于2000 年提出“绿色可持续发展化学 (GSC)的概念,即通过包括产品设计、原料选择、制造方法、使用方法及循环利 用等技术的革命, 保证“人与环境的健康与安全”和“能源和资源的节省”。 1998 年在Anastas和Warner的绿色化学“十二条原则”中第二条(合成方法应具 有“原子经济性”) 和第九条(使用高选择性的催化剂) 都提到了绿色化学中新 的催化方法是关键。可以说, 化学工业的重大变革、技术进步大多都是随着新的 催化材料或新的催化技术而产生的, 要发展环境友好的绿色化学, 就要大力发展
3、 绿色催化技术。绿色化学,就其本质而言要求化学品的生产应最大限度的合理利用资源,最 低限度地产生环境污染和最大限度地维护生态平衡。它对化学反应的要求是 (1) 采用无毒、无害的原料;(2)在无毒无害及温和的条件下进行;(3)反应应具有高的选 择性;(4)产品应是环境友好的。这四点中有两点涉及到催化剂,人们将这类催化 反应称为绿色催化反应,其所用的催化剂也可称作绿色催化剂。绿色化学中,催化剂的活性在次要地位,首要考虑的应是催化剂对反应所具 有的选择性。这是因为人们要选择催化剂的特殊性和专一性,从而保证目标产物 的高转化率,副产物的低转化率,甚至不转化产生副产物。在石油化工中烃类选择 性氧化占有极其重要的地位,但其选择性是各类催化反应中最低的,而且在反应 条件下目标产物很容易被进一步深度氧化为二氧化碳和水。这不仅造成资源浪费 和环境污染,而且给产物的分离和提纯带来了困难。人们为了避免气相氧对烃类 分子的深度氧化、提高目的产物的选择性,早在20世纪40年代Lewis等就提出烃 类晶格氧选择氧化的概念。现在除了有待开发的膜反应器4外, 另一种很有前景 的方法是采用循环流化床(Circulati
4、ng Fluid Bed ,简称CFB)提升管反应器完成 Redox 循环。即用可还原的金属氧化物的晶格氧作为烃类氧化的氧化剂, 按还原 -氧化(Redox)的模式,采用循环流化床提升管反应器。在提升管反应器中烃类 分子与催化剂的晶格氧氧化反应生成氧化产物, 失去晶格氧的催化剂被输送到再 生器中用空气氧化到初始高价态, 然后送入提升管反应器中再进行反应。这样, 反应是在没有气相氧分子的条件下进行的, 可提高反应的选择性, 使反应产物容 易分离回收。这个工艺是有效控制氧化深度、节约资源和环境保护的新催化技术, 国内正加紧对此方法的研究与开发。目前绿色催化剂的开发主要分三个方面 :固体酸催化剂、固体碱催化剂和金 属催化剂。固体酸催化剂主要包括:金属氧化物催化剂、金属盐催化剂、分子筛 杂多酸催化剂、离子交换树脂等。绿色催化剂具有无毒、无害、催化活性高、不腐蚀反应器、极少产生工业“三 废”、原子利用率高、原材料消耗低、投资少、操作简便、易分离,易再生及反 应条件温和等优良的性能,这一切为清洁生产提供了良好的保证。进一步开发和 应用这类催化剂及催化工艺是催化工作者和环保工作者共同努力的方向之一。
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