绿色化学发展趋势省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第七章第七章 绿色化学发展趋势绿色化学发展趋势 第一节：第一节：不对称催化合成不对称催化合成 第二节：第二节：酶催化和生物降解酶催化和生物降解 第三节：第三节：分子氧活化和高选择性氧化反应分子氧活化和高选择性氧化反应 第四节：第四节：清洁能源清洁能源 第五节：第五节：可再生资源利用可再生资源利用 1第1页 第一节：不对称催化合成第一节：不对称催化合成 制制造造光光学学纯纯化化合合物物方方法法有有 ：化化学学合合成成-拆拆分分法，不对称化学合成法，不对称催化合成法和发酵法。法，不对称化学合成法，不对称催化合成法和发酵法。化化学学合合成成所所得得到到是是外外消消旋旋化化合合物物，两两种种对对映映体体各各占占二二分分之之一一，所所以以必必须须经经拆拆分分才才能能得得到到单单一一对对映映体体。这意味着有二分之一产物是无用。这意味着有二分之一产物是无用。不不对对称称化化学学合合成成较较之之普普通通化化学学合合成成法法前前进进了了一一大大步步，它它采采取取化化学学计计量量手手性性试试剂剂选选择择性性合合成成手手性性化化合合物物，但但因因为为手手性性试试剂剂昂昂贵贵，限限制制了了它它在在工工业业上上推推广广应应用。用。2第2页 不不对对称称催催化化含含有有独独特特优优势势，主主要要是是因因为为它它有有“手手性性增增殖殖”或或“手手性性放放大大”作作用用，即即经经过过使使用用催催化化量量手手性性催催化化剂剂能能够够立立体体选选择择性地生成大量手性化合物。性地生成大量手性化合物。它它和和发发酵酵不不一一样样，不不对对称称催催化化工工艺艺不不局局限限于于“生生物物”类类型型底底物物，而而且且R-R-异异构构体体和和S-S-异异构构体体一一样样轻轻易易生生成成，只只要要采采取取不不一一样样构构型型手手性性催催化化剂剂就就可可实实现现。不不对对称称催催化化也也防防止止了了发发酵酵过过程程中中产产生生大大量量失失效效营营养养媒媒介介物物处处理理问问题题，而而且且依依据据现现在在应应用用于于工工业业上上不不对对称称催催化过程生产效率看，它远高于发酵法。化过程生产效率看，它远高于发酵法。3第3页 单一对映体手性化合物主要单一对映体手性化合物主要性不但限于医药，在农药和光电性不但限于医药，在农药和光电新材料发展中，已经证实单一对新材料发展中，已经证实单一对映体手性化合物含有更高效率和映体手性化合物含有更高效率和更优异性能，所以越来越受到重更优异性能，所以越来越受到重视。视。4第4页第二节：第二节：酶催化和生物降解酶催化和生物降解 分子生物技术还能用来加强分子生物技术还能用来加强工业过程工业过程催化剂使用酶催化剂使用酶性能，这同传统催化技术性能，这同传统催化技术是非常类似。是非常类似。酶和其它生物系统在温和温度、压力酶和其它生物系统在温和温度、压力和和pHpH值条件下，在稀水溶液中能很好地值条件下，在稀水溶液中能很好地工作。工作。这些系统催化反应是经典对环境友好，这些系统催化反应是经典对环境友好，因为生成副产物或废物极少因为生成副产物或废物极少。5第5页 通常，这些酶催化剂和由它们合成材料通常，这些酶催化剂和由它们合成材料是是可生物降解，可生物降解，所以不会长久存在在环境所以不会长久存在在环境中。中。这些反应是经典选择性并有尤其这些反应是经典选择性并有尤其高收率，高收率，而且酶能够催化单一反应器中整个系列反而且酶能够催化单一反应器中整个系列反应，造成总收率很大改进和高位置特效性，应，造成总收率很大改进和高位置特效性，以及大多数情况下以及大多数情况下100%100%手性合成。手性合成。整个细胞催化酶催化技术改良使用，用整个细胞催化酶催化技术改良使用，用单种酶或复合酶催化反应和化学合成对于单种酶或复合酶催化反应和化学合成对于新催化技术发展都是很主要。新催化技术发展都是很主要。6第6页第三节：第三节：分子氧活化和高选择分子氧活化和高选择 性氧化反应性氧化反应 全全世世界界生生产产主主要要化化学学品品中中50%50%以以上上是和选择性氧化过程相关。是和选择性氧化过程相关。包包含含：碳碳氢氢化化合合物物氧氧化化成成含含氧氧化化合合物及含氧化合物氧化转化。物及含氧化合物氧化转化。现现在在有有机机化化学学品品制制造造大大多多是是以以石石油油为为原原料料，而而石石油油烃烃分分子子又又都都是是处处于于还还原原状状态态，所所以以经经过过氧氧化化将将它它们们转转化化为为带带有有不不一一样样含含氧氧基基团团有有机机化化合合物物在在有有机化学中占有主要地位。机化学中占有主要地位。7第7页 氧氧化化反反应应是是有有机机反反应应中中最最难难控控制制反反应应方方向向，它它们们往往往往在在生生成成主主产产物物同同时时，生生成成许许多多副副产产物物，这这使使得得氧氧化反应选择性较低。化反应选择性较低。至至今今不不少少氧氧化化反反应应依依然然采采取取是是化化学学计计量量氧氧化化剂剂，尤尤其其是是含含重重金金属属无无机机氧氧化化物物，反反应应完完成成后后还还有有大大量量残残留留物物需需要要处处理理，它它们们对对环环境境会会造造成成严重污染。严重污染。所所以以发发展展新新高高选选择择性性氧氧化化十十分分主主要要22。8第8页 绿绿色色氧氧化化过过程程应应是是采采取取无无毒毒无无害害催催化化剂剂，它它应应含含有有很很高高氧氧化化选选择择性性，不不产产生生或或极极少少产产生生副副反反应应产产物物，到到达达尽尽可可能能高高原原子子经经济济性。性。对对氧氧化化剂剂要要求求是是，它它们们参参加加反反应应后后不不应应有有氧氧化化剂剂分分解解残残留留有有害物。害物。所所以以，最最好好氧氧化化剂剂是是氧氧，其其次是次是H H2 2O O2 2。9第9页 纯纯氧氧作作氧氧化化剂剂是是主主要要发发展展方方向向，它它大大量量降降低低了了尾尾气气排排放放量量，从从而而降降低低了了随随尾尾气气带带入入大大气气挥挥发发性性有有机机物物造造成成污染。污染。所所以以，新新发发展展氧氧化化催催化化剂剂应应在在缓缓解解条条件件下下能能活活化化分分子子氧氧，经经过过这这种种活活泼泼催催化化氧氧化化物物种种，使使反反应应物物分分子子高高选选择择性性转转化化为为产产物物。模模拟拟酶酶氧氧化化金金属属络络合合物物和和分分子子筛筛将将成成为为氧氧化化催催化化剂剂主主要要研研究究对对象象，它它们们将将在在开开拓拓清清洁洁氧氧化化工工艺中发挥主要作用。艺中发挥主要作用。10第10页第四节：第四节：清洁能源清洁能源 世界人口连续增加，能源和食品问世界人口连续增加，能源和食品问题将成为下世纪主要难题题将成为下世纪主要难题 传统燃料燃烧方式放出化学能受热传统燃料燃烧方式放出化学能受热力学第二定律限制，只有一部分（低于力学第二定律限制，只有一部分（低于40%40%）被转化为有用能，其余能量则以种）被转化为有用能，其余能量则以种种不可防止方式损耗了，如活动部件之种不可防止方式损耗了，如活动部件之间摩擦消耗，作为废热从烟囱和冷却塔间摩擦消耗，作为废热从烟囱和冷却塔排放出等等。排放出等等。11第11页发展燃料电池是一条主要出路发展燃料电池是一条主要出路12第12页 燃料电池直接将化学能转化为电能没有任何机械和热中间媒介。燃料电池取决于不一样用途，其效率可高达90%。靠这种高效率，以燃料电池技术为基础发电厂，比起普通发电厂将消耗更少燃料，同时对应地降低了污染物排放。13第13页 燃料电池高转化效率燃料电池高转化效率关键关键在于用在于用催化剂催化剂来控制燃料与氧反应，而此反应温度高达来控制燃料与氧反应，而此反应温度高达10001000o oC C左右。左右。要在如此高温度下维持长久运转，还需要在如此高温度下维持长久运转，还需要处理一些技术障碍，包含：要处理一些技术障碍，包含：在高温下催化剂不被破坏方法，防止陶在高温下催化剂不被破坏方法，防止陶瓷结构破裂和泄漏瓷结构破裂和泄漏 设计在足够小体积内能传导充分氧离子设计在足够小体积内能传导充分氧离子陶瓷材料等。陶瓷材料等。14第14页氢氢 气气 燃燃 料料 氢气因为燃烧热效高，而且产物为氢气因为燃烧热效高，而且产物为水，所以被认为是未来最理想水，所以被认为是未来最理想高效清高效清洁能源洁能源 氢气燃料电池早已氢气燃料电池早已研究成功研究成功，而且而且用它驱动汽车已问世。用它驱动汽车已问世。但因为氢气但因为氢气成本较高，成本较高，不论烃类制不论烃类制氢或电解制氢作为燃料使用，都缺乏氢或电解制氢作为燃料使用，都缺乏竞争力。竞争力。15第15页氢燃料电池16第16页廉价获取氢方法研究廉价获取氢方法研究 生物制氢技术：生物制氢技术：以制糖废液，纤维素废液和污以制糖废液，纤维素废液和污泥废液为原料，采取微生物培养泥废液为原料，采取微生物培养法制取氢是很有希望路径，其法制取氢是很有希望路径，其关关键键是保持氢化酶稳定性，方便能是保持氢化酶稳定性，方便能采取通常发酵法连续生产制氢技采取通常发酵法连续生产制氢技术。术。17第17页 国外研究：国外研究：主要集中于固定化主要集中于固定化微生物制氢微生物制氢技技术，现在已发觉以术，现在已发觉以聚丙烯酰胺聚丙烯酰胺将氢产将氢产生菌丁酸梭菌包埋生菌丁酸梭菌包埋固定化，固定化，可用于由可用于由葡萄糖发酵生产氢。葡萄糖发酵生产氢。最近又发觉用最近又发觉用琼脂固定化，琼脂固定化，生产氢生产氢速度是聚丙烯酰胺固定化菌种三倍。速度是聚丙烯酰胺固定化菌种三倍。利用这种固定化氢产生菌，能够用利用这种固定化氢产生菌，能够用工业废水中有机物有效地生产氢。工业废水中有机物有效地生产氢。18第18页 国内：以厌氧活性污泥为原料有机废水发酵法制氢技术研究取得了主要突破，已实现中试规模连续非固定菌生物制氢，生产成本据称已低于电解法制氢。19第19页贮氢材料研究贮氢材料研究 贮氢材料贮氢材料研究：研究：因为氢气单位体积能量密度低，因为氢气单位体积能量密度低，要靠高压压缩贮存，能耗很高，而要靠高压压缩贮存，能耗很高，而且存在安全隐患。且存在安全隐患。当前稀土合金贮氢材料研究取得当前稀土合金贮氢材料研究取得了良好进展，能够预料很快未来廉了良好进展，能够预料很快未来廉价制氢和贮氢材料技术将取得突破价制氢和贮氢材料技术将取得突破并实用化。并实用化。20第20页第五节：第五节：可再生资源利用可再生资源利用 当前可再生生物资源主要利用是谷物当前可再生生物资源主要利用是谷物淀粉类，而作为植物主要组成部分木质淀粉类，而作为植物主要组成部分木质素利用不多，因为木质素极其稳定，降素利用不多，因为木质素极其稳定，降解十分困难。解十分困难。现在已发觉一些细菌和真菌含有可使现在已发觉一些细菌和真菌含有可使木质素降解木质素过氧化酶、锰过氧化木质素降解木质素过氧化酶、锰过氧化酶、漆酶等，但其降解效率较低，所以酶、漆酶等，但其降解效率较低，所以纤维素尤其是木质素酶解，将是今后研纤维素尤其是木质素酶解，将是今后研究开发热点。究开发热点。21第21页可再生资源利用可再生资源利用 生物质生物降解和转化生物质生物降解和转化 生物质化学转化生物质化学转化22第22页生物质生物降解和转化生物质生物降解和转化 当前妨碍可再生生物资源利用主要原因当前妨碍可再生生物资源利用主要原因是酶催化剂稳定性较差，对反应条件，比是酶催化剂稳定性较差，对反应条件，比如温度、培养液浓度和如温度、培养液浓度和pHpH值等要求苛刻，值等要求苛刻，且价格昂贵。且价格昂贵。采取基因工程、细胞工程、酶工程技术采取基因工程、细胞工程、酶工程技术最新结果（比如克隆技术），按照需要制最新结果（比如克隆技术），按照需要制造高稳定性和容忍性好微生物，从中提取造高稳定性和容忍性好微生物，从中提取出较廉价酶是可能出较廉价酶是可能 。23第23页生物质生物降解和转化生物质生物降解和转化 可再生生物资源利用存在另一可再生生物资源利用存在另一个问题是酶和产物从反应液中分个问题是酶和产物从反应液中分离出来困难。离出来困难。酶和微生物固载化，高效生物酶和微生物固载化，高效生物反应器和分离技术开发，将成为反应器和分离技术开发，将成为生物化学工程研究重点。生物化学工程研究重点。24第24页生物质化学转化生物质化学转化 生物质直接液化已经有相关研究，需要提生物质直接液化已经有相关研究，需要提升端和选择性升端和选择性 生物质间接液化生物质间接液化 先转化为合成气，由合成气转化为液体产先转化为合成气，由合成气转化为液体产品，需要提升合成气中氢百分比。品，需要提升合成气中氢百分比。25第25页结构键能结构键能 定向气化定向气化 生物制氢生物制氢气化机理气化机理 催化重整催化重整 绿色合成绿色合成26第26页Gasification reactor (fixed bed)for biomass conversiongasifierpurificationfanNeededByHomegas tankbiomass,air27第27页生物质气体组成生物质气体组成生物质 气体组成(%)COH2CH4CO2N2锯末18-2112-172.5-3.58-1250-55秸秆14-1614-163-413-1553-5428第28页Gasification reactor (fluidized bed)for biomass conversiongasifierbiomasstankCO+2H2=CH3OHreforming reaction bedbiomass29第29页Gasification reactor (fluidized bed)for biomass conversion Gas production：150 M3/h Operation pressure：1MPa Heat capacity：7 MJ/M3 Efficiency of energy conversion：80%30第30页生物质气体重整试验流程图生物质气体重整试验流程图1.Bio-gas 2.Filter 3.Reforming Reaction Bed 4.Shift Reaction Bed 5.Tar 6.Water 7.GC15 6 4 7 2331第31页可再生资源可再生资源木质纤维素木质纤维素 清洁加工工艺清洁加工工艺酶法和热化学转化酶法和热化学转化绿色产品绿色产品燃料乙醇甲醇燃料乙醇甲醇32第32页