第五章 绿色化学方法.ppt

第一节 催化剂在化学反应中的作用 第二节 绿色化学与催化 第三节 高效无害催化剂的设计 第四节 改变反应原料 第五节 改变反应试剂 第六节 改变反应溶剂 第七节 化学反应的过程监控和化工过程强化 催化剂的作用：①加快反应速度，提高生产效率；②提高选择性，控制反应方向或产物构成；③缓和反应条件。④改善反应条件，降低化学反应的能耗。⑤提高选择性，减少副产物和其他废物的排放 催化剂的分类 多相反应固体催化剂（石化工业应用最多） Al2O3/SiO2催化裂化生产汽油 均相反应催化剂（精细化学品、聚合） 茂金属络合物生产聚乙烯 酶催化剂（生物化工） 固体催化剂的构成 主催化剂（合成NH3中的Fe） 助催化剂（合成NH3中的K2O） 共催化剂（石油裂解SiO2-Al2O3） 载体（Al2O3 ） 载体的选择 催化剂的一般制备方法 不同制备方法，成分、用量相同，但催化剂的性能可能不同 催化是一门科学，也是一门艺术 沉淀法 浸渍法 沉淀法 沉淀剂加入金属盐类溶液，得到沉淀后再进行处理 单组分沉淀法 制备非贵金属的单组分催化剂或载体 共沉淀法 多个组分同时沉淀（各组分比例较恒定，分布也均匀） 浸渍法 将载体放进含有活性物质的液体中浸渍 浸渍法（多次浸渍）实例 镍/氧化铝-----重整催化剂—将甲烷或石脑油重整制合成气 催化剂被称为分子机器 ? 在生命过程中，最需要高度的选择性和原子经济性，在生物体内进行的化学反应都是以酶作为催化剂的。这些酶催化的反应通常都是高专一、高选择性和原子经济的。这种酶催化剂被称为分子机器。 一、催化与污染防治 催化已经在减少环境污染方面引起到了 重要作用 利用催化剂减少和消除发电厂废气及汽车尾气中的NOx的排放，以改善空气的质量； 利用催化剂以减少挥发性有机溶剂的使用； 利用催化技术处理高浓度有机废水； …… 催化在新的、不产生污染的合成途径中将继续起重要作用 二：新原料需要新催化剂来活化 三：催化与反应过程的改善 新的反应路线，反应过程需要使用新的催化剂来实现，对原有过程的催化剂进行改善，可提高过程的效率。 乙醛的合成 对苯二酚的合成 羰基化合物的合成 新方法用钒的配合物代替CuCl2 催化剂PdCl2的用量可大幅度减少，这样溶液中Cl－的浓度也就大为减少，其减少幅度可达100~400倍，这样就大大降低了生成氯化有机物的可能性。 所胃新催化剂，就是指人们按照自己的意图制造目标催化剂的工作。 它代表一种构思，而不一定要画出图纸。也就是对指定的反应，或者需要制造的某种产品，应该如何选用一种催化剂的知识逻辑分析。而经过逻辑思维设计出的这种催化剂应该是具有高度的专一性、高度的选择性，能取得最大经济效益和环境效益。 一、设计新催化剂的总体性分析 反应的可行性，最大平衡产率； 要求的最佳反应条件； 可选用的原料； 反应的原子经济性如何； 在实际使用中可能会遇到什么问题； 催化剂的经济性； 催化反应的经济性等等。 设计高效无害催化剂参数的几个要素： 活性、选择性、稳定性或寿命、对人、对环境是否无害。 可根据反应类型、反应分子的活化方式等选择催化剂的类型和可选用材料，找出最适宜催化剂。 用实验证实设计的可行性，若实验证明设计不合理，则又从头开始重新进行设计。 高效无害催化剂设计框架(P85) 二、设计和开发新型分子氧氧化催化剂 1、常用的无机氧供体氧化剂： 次氯酸钠，次溴酸钠，硝酸、亚硫酸氢钾、三氧化铬、高锰酸钾、重铬酸钾等等。 缺点： 采用无机氧供体作氧化剂时，常常会生成大量的盐废物，不仅造成环境污染，同时也造成资源浪费。 目前要开发新型清洁分子氧氧化催化剂 清洁氧化剂及其特点 （1）分子氧(O2): 是最清洁的氧化剂，但有时受反应条件限制，也采用过氧化氢或臭氧作为氧化剂。 （2）过氧化氢(H2O2)： 过氧化氢比氧和臭氧贵得多，但过氧化氢中含有47%的活性氧，其氧化产物为水，是环境可接受的副产物。 （3）臭氧 (O3)： 臭氧也是环境可接受的氧化剂，它氧化其他产物后变为分子氧。 其缺点是：使用时需要特殊的处理方法和特殊的发生装置。 （4）氧化亚氮(N2O)： 氧化反应后产物为氮气，对环境友好； N2O本身的生产复杂，价格不低。 （5）采用氧化物晶格氧间接利用分子氧： 晶格氧就是吸附氧（物理吸附、化学吸附）。 其催化反应原理是：