alhimikov.net
главная контакты карта сайта гостевая книга

Оглавление

Лекции
1. Предмет и задачи химической технологии.
2. Закономерности химико- технологических процессов.
3. Производство серной кислоты, аммиака, солевые технологии.
4. Электрохимические производства. Силикатные материалы.
5. Основной и тонкий органический синтез.
6.  Экологические проблемы химических производств.

Практикум
1. Получение никелевого покрытия электролизом.
2. Приготовление легкоплавких стекол.
3. Получение металлов. восстановлением их оксидов.
4. Анализ воды и умягчение ионообменным методом.
5. Электролиз раствора NaCl
6. Получение уксусной кислоты.
7. Сухая перегонка дерева.

Словарь терминов и персоналий

Иллюстративное обеспечение

1. Водоподготовка.
2. Производство серной кислоты.
3. Производство азотной кислоты.
4. Производство аммиака.
5. Минеральные удобрения.
6. Производство чугуна.

Видео-обеспечение
1. Конвертерное производство стали
2. Производство серной кислоты.
3. Химическая промышленность и охрана окружающей среды.


Литература


 

 

 


Лекции

Лекция 6. Экологические проблемы химических производств. 

 

          Цель: Рассмотреть экологические проблемы химических производств и направления их решения.

 

1.   Принципы «Зелёной химии».

2.   Современное состояние химической отрасли в России.  (Видео).

            

Зеленая химия возникла после издания в США Акта о предотвращении загрязнений, хотя к ранним предпосылкам ее возникновения можно отнести движение, направленное на ресурсо- и энергосбережение, которое было популярным в СССР и других странах с момента развития промышленности. Основная цель зеленой химии – поиск безопасных с точки зрения химии и экологии способов деятельности общества во всех аспектах – начиная от процессов производства и способов использования энергоресурсов и до способов выполнения нашей ежедневной домашней работы. Химики и обычные люди, которые следуют принципам зеленой химии, нацелены на то, чтобы меньше использовать или вообще не использовать и не создавать опасных веществ и продуктов, а также процессов, в которых образуются такие вещества. Таким образом они предотвращают воздействие отходов и опасных веществ самым надежным способом – не допускают их образования.

Когда-нибудь в будущем вся химия станет зеленой. До этого момента необходимы усилия общества и специалистов, направленные на то, чтобы сделать наш мир более зеленым местом. В США эту работу возглавляет Институт Зеленой химии Американского химического общества. В России такие усилия осуществляются в ряде общественных организаций, в нашем Научно-образовательном центре МГУ имени М.В.Ломоносова «Зеленая химия – химия в интересах устойчивого развития» и в Институте устойчивого развития РХТУ им.Д.И.Менделеева.

12 принципов Зеленой химии

12 принципов Зеленой химии впервые были разработаны специалистами, работающими в промышленности, Полом Анастасом и Джоном С.Уорнером. Эти принципы создали основу, в соответствии с которой химики должны разрабатывать новые, «зеленые» материалы, продукты, процессы и системы. Принципы служат каркасом для создания инновационных решений, разработанных в последнее десятилетие.

·   Лучше предотвратить выброс загрязнений, чем потом от них избавляться.

·   Синтез следует планировать так, чтобы максимальное количество использованных материалов вошли в конечный продукт.

·   Следует планировать методы синтеза так, чтобы реагентами и конечными продуктами служили вещества, которые малотоксичны или вовсе нетоксичны для человека и природы.

·   Среди целевых химических продуктов следует выбирать такие, которые наряду с требуемыми свойствами обладают максимально низкой токсичностью.

·   Необходимо по возможности избегать использования в синтезе вспомогательных веществ (растворителей, экстрагентов и др.) или выбирать безвредные.

·   При планировании синтеза нужно учитывать экономические и экологические последствия производства энергии, необходимой для проведения химического процесса, и стремиться к их минимизации. Следует стремиться проводить синтез при температуре окружающей среды и нормальном давлении.

·   Следует использовать возобновляемое сырье там, где это технически и экономически обосновано.

·   Необходимо сокращать число стадий процесса (для этого избегать при синтезе стадий блокирования групп, введения-снятия защиты, временной модификации физико-химических процессов).

·   Каталитические реагенты (по возможности максимально селективные) предпочтительны по сравнению со стехиометрическими.

·   Химические продукты желательно применять такие, чтобы по окончании нужды в них они не сохранялись в окружающей среде, а разлагались до безопасных веществ.

·   Аналитические методики следует развивать так, чтобы в режиме реального времени обеспечивать мониторинг образования продуктов реакции, среди которых могут оказаться опасные.

·   Вещества, используемые в химических процессах, следует выбирать так, чтобы свести к минимуму возможные аварии, включая разливы, взрывы и пожары.

Чтобы понять возможности зеленой химии, лучше всего посмотреть на ее достижения. В США ежегодно Агентство по защите окружающей среды (ЕРА) спонсирует Президентские награды за прорывные достижения в зеленой химии. Можно перечислить несколько ярких примеров достижений, за которые в последние годы вручалась эта награда. Они показывают, как эффективное применение принципов Зеленой химии исследователями, представителями малого бизнеса и крупных корпораций позволило решить некоторые из неотложных задач сохранения окружающей среды.

Профессор Кшиштоф Матышевски разработал безопасные растворители и вещества. При производстве важных полимеров, например, смазок, клеев и покрытий, часто требуется использование опасных химикатов. Профессор Кшиштоф Матышевски из Carnegie Mellon University разработал альтернативный процесс получения полимеров «Радикальная полимеризация с атомным переносом». В процессе применяют экологически безопасные химические вещества, например, аскорбиновую кислоту (витамин С) в качестве восстановителя, для процесса требуется меньшее количество катализатора.

Новые краски разработали в сотрудничестве фирмы Procter & Gamble и Cook Composites and Polymers. Обычные алкидные краски на основе нефти обеспечивают получение долговечного глянцевого покрытия. На них существует большой спрос в архитектуре, промышленности при получении изделий из металла, например, сельскохозяйственных орудий и конструкций. Однако при производстве этих красок применяют опасные органические растворители. Названные выше фирмы разработали инновационную краску Chempol® MPS, в которой в качестве растворителя применяли масло Sefose® на основе биологических продуктов – сахара и растительного масла. Это позволяет получить алкидные краски с очень хорошими потребительскими свойствами при использовании вдвое сниженного количества растворителей.

Фирма Virent Energy Systems, Inc. разработала каталитический способ Virent's BioForming® производства бензина, дизельного или реактивного топлива на основе возобновляемого сырья – сахара, крахмала или целлюлозы растений. В этом способе большую часть энергии, требуемую для проведения процесса, получают также из биомассы, требуется лишь незначительная добавка энергии, полученной из других источников. Важным достоинством процесса является его гибкость – целевой продукт можно изменять в зависимости от потребностей рынка.

При производстве косметики и других средств персонального ухода используют сложные эфиры. Обычно их получают с помощью жестких химических методов, в которых в качестве реагентов применяют сильные кислоты и опасные растворители, и требуются значительные затраты энергии. Фирма Eastman Chemical Company разработала новый способ с применением иммобилизованных ферментов, который позволяет избежать и избыточных затрат энергии, и опасных реагентов – сильных кислот и органических растворителей. Этот щадящий способ позволяет получать сложные эфиры, которые невозможно было получить ранее, из природного сырья.

 

            Одно из направлений «зеленой» химии, развиваемое в России, - синтез новых материалов, очистка химических веществ с использованием сверхкритических жидкостей. Чаще всего используют сверхкритический диоксид углерода, реже – воду, аммиак, пропан, азот и ксенон. Диоксид углерода и вода – дружественные природе и недорогие реагенты, поэтому их использование, безусловно, отвечает целям и задачам «зеленой» химии. И главное достоинство сверхкритических жидкостей: после использования давление в реакторе сбрасывается, и они возвращаются в атмосферу Земли. При этом отпадает необходимость в использовании вредных органических растворителей в больших количествах, ведь после реакции требуется обычно тщательная отмывка готового продукта.

Вблизи критической точки на фазовой диаграмме свойства веществ радикально меняются. Вода и СО2 становятся эффективными растворителями. Поскольку сверхкритический диоксид углерода инертен, в нем можно проводить синтез органических веществ, в том числе комплексов металлов, полимеризацию, с его помощью можно экстрагировать необходимые вещества, например, извлекать из растворов соли тяжелых металлов. Более того, возможна экстракция и из твердых веществ. Так, в Радиевом институте (г.Санкт-Петербург) разработаны научные основы извлечения трансурановых элементов из радиоактивно загрязненных земель Чернобыльской зоны. Что касается полимеризации, сверхкритический СО2 лучше растворяет фторированные углеводороды. Фирма «Дюпон» выбрала технологию с применением этого растворителя для производства фторсодержащих полимеров. Синтез других полимеров можно проводить в присутствии перфторуглеродов. Они позволяют предотвратить выпадение в осадок целевого полимера, например, полиакрилата, за счет того, что растущая молекула полимера удерживается в растворе окружающими ее перфторированными группами, примерно так, как молекулы поверхностно-активных веществ удерживают в растворе частицы жира и грязи при стирке. Кстати, в Японии сверхкритический СО2 уже активно используют в прачечных-химчистках. В других отраслях промышленности сверхкритический СО2 тоже активно используется, но преимущественно как агент для экстракции. В качестве растворителя в химических реакциях он применяется в считанном количестве промышленных процессов. К числу пионеров можно отнести ученых Ноттингемского университета в Великобритании, которые совместно с фирмой Thomas Swan & Co. Ltd. сумели быстро масштабировать до 1000 т/год процесс селективного гидрирования изофорона в триметилциклогексанон в присутствии палладиевого катализатора [3], причем реактор сконструирован таким образом, что переход к другому процессу происходит относительно легко.

Работы по использованию сверхкритического СО2 активно ведутся в России в МГУ им.М.В.Ломоносова, в Институте элементоорганических соединений РАН в лаборатории А.Р.Хохлова, и в других исследовательских лабораториях.

Использование воды вблизи критической точки сложнее и обходится дороже, чем диоксида углерода, поскольку критические температура и давления в этом случае существенно выше (374oС, 220 атм.). Однако получаемые результаты могут быть очень интересными, т.к. вода приобретает свойства чрезвычайно сильного растворителя.

Необходимо учитывать затраты энергии при переводе вещества в сверхкритическое состояние. Экологическая выгода от использования сверкритических флюидов должна превосходить тот ущерб, который может быть нанесен природе в результате выработки дополнительных количеств энергии.

В нашей книге приведена работа, выполненная в лаборатории Института проблем экологии и эволюции РАН, показывающая возможности использования воды в субкритическом состоянии для утилизации тяжелых полихлорированных стойких органических загрязнителей.

Разработка новых растворителей для химических процессов не ограничивается использованием сверхкритических флюидов. Важное направление «зеленой» химии – это использование ионных жидкостей для проведения обычных процессов органической химии. Ионные жидкости нелетучи, негорючи, а варьирование составляющих их катионов и анионов позволяет сконструировать растворитель, точно подходящий для предстоящего использования. В настоящем сборнике ведущиеся в России в этом направлении работы представляет статья, написанная сотрудниками ИОХ им.Н.Д.Зелинского РАН (С.Г.Злотин и др.).

Среди химических процессов, модифицированных по законам «зеленой» химии, можно упомянуть еще применение биокатализаторов в химических процессах. В начале 90-х годов России (г. Пермь) внедрен биокаталитический процесс получения акриламида. За эту работу авторы получили Премию Правительства РФ за 1995 г.

Каталитические реакции составляют важную часть процессов «зеленой» химии. Действительно, катализатор используется в небольших количествах, обычно регенерируется, при этом применение катализатора часто позволяет существенно улучшить производительность и селективность процесса. Так, в последнее время нитрование ароматических соединений стремятся проводить с использованием только азотной кислоты, а не ее смеси с серной, что снижает экологические риски. При этом найдено, что определенные сорта цеолитов в качестве катализаторов позволяют проводить процесс с высокой скоростью и селективностью. Сами же цеолиты – природные или синтетические глины – вполне экологичны, легко отделяются от реакционной среды и регенерируются азеотропным удалением воды. Относительно новое направление использования катализаторов – синтез биоразлагаемых полимеров вместо используемых в настоящее время устойчивых марок. Так, каталитический процесс позволил снизить температуру получения и улучшить физико-химические свойства полиаспаргиновой кислоты. Этот полимер можно использовать вместо полиакриловой кислоты, которая в природе не разлагается. Кроме того, его можно использовать в качестве ингибитора коррозии и образования накипи в системах очистки воды. Применение каталитических процессов в будущем позволит создавать материалы (в том числе полимеры), которые не нуждаются в добавках, пластификаторах, ингибиторах горения и пр., т.е. веществах, затрудняющих повторное использование материалов.

Один из путей достижения целей «зеленой» химии – это получение химических продуктов из природных. Поэтому получение спирта из зерна – это типичный процесс «зеленой» химии. Поскольку этот процесс дешевле, чем производство спирта окислением этилена, производство по последнему методу прекращено практически везде в мире. Пока стоимость зернового спирта около 300 долларов за тонну (600$/т при производстве по классической схеме из этилена), но если биотехнологический спирт подешевеет еще в два раза, то он станет сырьем для производства этилена и полиэтиленов. Такая перспектива позволяет практически полностью отказаться от использования нефти в качестве основного сырья химической промышленности и перейти к возобновляемым источникам сырья. В связи с этим для России очень важно не отстать в таких исследованиях от наиболее развитых стран. Ведь пока наше благосостояние держится на нефти. Запасы ее не беспредельны, стоимость постоянно растет в связи с усложнением условий ее добычи (полярные шельфы, вечная мерзлота, болота). Поэтому при условии заметного прогресса в развитии биотехнологий на Западе покупатели могут отказаться от использования нефти, при этом коренным образом изменится структура промышленности, и России следует быть к этому готовой.

Основным сырьевым источником для этого направления «зеленой» химии является биомасса растений, точнее, лигноцеллюлоза и крахмал. Методы утилизации лигноцеллюлозы в настоящее время разработаны недостаточно, но, поскольку в составе сельскохозяйственных и бытовых отходов основную часть составляет лигноцеллюлоза и целлюлоза, превращение их в сахара позволило бы невероятно ускорить развитие экологически безопасных методов производства химической продукции. Приведенные в нашей книге статьи К.Г.Боголицына с сотр. (Архангельский государственный технологический университет) и Б.Н.Кузнецова с сотр. (Институт химии и химической технологии СО РАН, Красноярский государственный университет) направлены на глубокое изучение структурной организации и химических свойств лигнинов, что, несомненно, является необходимым шагом к разработке способов их трансформации в сахара. Дальнейшие перспективы понятны – с помощью ферментов сахара превращаются в органические кислоты (лимонную, молочную, щавелевую и др.), а эти кислоты будут служить сырьем для огромного количества других химических продуктов. В частности, дегидратацией молочной кислоты получается акриловая, из нее – ацетальдегид, этиленгликоль, тетрагидрофуран, пропандиол и др. Но и сами органические кислоты являются ценными химическими продуктами. Полученный на основе молочной кислоты полимер – полилактат – хорошая замена полиэтилена и полипропилена в упаковочных пленках: он нетоксичен, и при этом очень легко разлагается в природе (буквально за несколько недель). Важно, что дополнительного поступления СО2 в окружающую среду при использовании растительного сырья не будет: сколько диоксида углерода истрачено в процессе фотосинтеза на образование биомассы, столько его и выделится в конечном счете.



© УлГПУ, кафедра химии, доцент Пестова Н. Ю., 2013