绿色。催化剂

绿色。催化剂 摘要 本文主要介绍绿色化学中原则之一的“使用催化剂，而不是化学计量试剂(Use catalysts,not stoichionmetric reagents)。通过简单介绍认识和更好的使用催化剂。 引言 “绿色化学”由美国化学会(ACS)提出，目前得到世界广泛的响应。其核心是利用化学原理从源头上减少和消除工业生产对环境的污染;反应物的原子全部转化为期望的最终产物。按照美国《绿色化学》(GreenChemistry)杂志的定义,绿色化学是指:在制造和应用化学产品时应有效利用(最好可再生)原料,消除废物和避免使用有毒的和危险的试剂和溶剂。而今天的绿色化学是指能够保护环境的化学技术.它可通过使用自然能源,避免给环境造成负担、避免排放有害物质.利用太阳能为目的的光触媒和氢能源的制造和储藏技术的开发,并考虑节能、节省资源、减少废弃物排放量。 绿色化学又称“环境无害化学”、“环境友好化学”、“清洁化学”，绿色化学是近十年才产生和发展起来的，是一个 “新化学婴儿”。它涉及有机合成、催化、生物化学、分析化学等学科,内容广泛。绿色化学的最大特点是在始端就采用预防污染的科学手段,因而过程和终端均为零排放或零污染。世界上很多国家已把“化学的绿色化”作为新世纪化学进展的主要方向之一。 催化剂具有催化反应的作用，将废物的产生量降到最低，从而对实现零排放或零污染具有重要意义。 催化作用"作为一个化学概念,则直至1836年才由瑞典化学家J. J. Berzelius(1779―1848)在其著名的"二元学说"基础上提出来,认为具有催化作用的物质,除和一般元素和化合物一样,由电性相异(正, 负)的两部分组成(二元)之外,还具有一种所谓的"催化力". 在这之后,催化研究得到了广泛开展. 1894年,德国化学家W. Ostwald(1853―1932)认为催化剂是一种可以改变一个化学反应速度,而又不存在于产物中的物质并於1902年定义催化作用为"加速反应而不影响化学平衡的作用". 近百年来,关于"催化剂及催化作用"有种种不同的文字表述,例如,长期以来,文献中多使用如下定义:"催化剂是一种能够改变化学反应的速度,而它本身又不参与最终产物的物质.催化剂的这种作用,叫做催化作用." 1976 年IUPAC(国际理论及应用化学协会)公布的催化作用的定义是:"催化作用是一种化学作用,是靠用量极少而本身不被消耗的一种叫做催化剂的外加物质来加速化学反应的现象".并解释说,催化剂能使反应按新的途径,通过一系列基元步骤进行,催化剂是其中第一步的反应物,最后一步的产物,亦即催化剂参与了反应,但经过一次化学循环后又恢复到原来的组成. 1981年IUPAC又提出定义:催化剂是一种物质,它能够加速反应的速率而不改变该反应的 Gibbs自由焓变化.这种作用称为催化作用.近来在国内文献中,又出现如下的定义:"催化是加速反应速度,控制反应方向或 产物构成,而不影响化学平衡的一类作用.起这种作用的物质称为催化剂." 催化技术的进展对石油,化学工业的变革起着决定性的作用. 1923年,BASF公司以ZnO-Cr2O3为催化剂开发成功高压法由合成气生产甲醇的工艺 1970年代,ICI公司开发成功以Cu-ZnO-Al2O3(Cr2O3)为催化剂的低压法合成气生产甲醇的新工艺,很快又开发出中压法工艺,使甲醇生产有很大提高. 1960 年Sohio开发成功磷钼铋氧系催化剂,由丙烯氨氧化生产丙烯腈时,原有的三种丙烯腈生产方法(环氧乙烷法,乙醛法,乙炔法)都变得不再有生命力了,并且随着磷钼铋氧系丙烯 氨氧化生产丙烯腈催化剂的不断改进及非磷系丙烯氨氧化生产丙烯腈催化剂的成功开发,使该法日益成熟. 能源化工和环境化工的兴起,为工业催化提出了新课题和新和活动领域. 能源化工:目前能转化成燃料的碳源有以下三类:原油及相关物质;煤炭;生物质.它们的充分开发和利用有赖于催化剂.自然界还存在有大量油砂和油页岩物质,因其粘度高,挥发物含量低,硫,氮和各种重金属含量高,用现有的加工工艺无法廉价地提取.预计催化技术在将这类碳源转化为液体燃料方面,必能发挥巨大作用. 环境保护:造成大气污染的三个主要领域,都可通过催化技术加以控制: (1)对于污染大气的可燃性气体,采用催化燃烧技术; (2)对于工业装置排放的NOX气体,可将其催化还原为氮气; (3)对于各种车辆用燃料排放气的控制,目前虽已提出很多种方法,如改用清洁燃料,重新设计发动机等,采用催化燃烧技术也能达到控制目的. 生物体内广泛存在的酶,是生物赖以生存的一切化学反应的催化剂.酶的催化作用至今还难在生物体外实现:效率高,选择性好,反应条件温和.弄清楚这个自然界的催化过程,不仅有利于了解自然奥秘,而且将大大提高人类利用自然,改造自然的本领.若能将固氮酶或别的模拟酶取代现在的合成氨催化剂,将不知道使现合成氨工艺简单多少.故今天对酶本身及对酶化学模拟的研究已成为催化研究中一个非常有吸引力的领域. 时至今日,一个实际可用的催化剂的开发,依然被认为是一种"技艺",尚无完善的科学原理可循.要解决科学地选择催化剂的问题,需要弄清许多基本问题.如催化活性中心是怎样形成的它在反应过程中如何中变化等等. 目前烃类的烷基他反应一般使用氧氟酸、硫酸、三氯化铝等液体酸催化剂。这些液体催化剂共同缺点是，对设备的腐蚀严重、对人身危害和产生废渣、 污染环境。为了保护环境。多年来国外正从分子筛、杂多酸、超强酸等新催化材料中大力开发固体酸烷基化催化剂。其中采用新型分子筛催化剂的乙苯液相烃他技术引人注目，这种催化剂选择性很高。乙苯重量收率超过99.6%。而且催化剂寿命长。还有一种生产线性烷基苯的固体酸催化剂替代了氢氟酸催化剂，改善了生产环境，已工业化。在固体酸烷基化的研究中。还应进一步提高催化剂的选择性。以降低产品中的杂质含量; 提高催化剂的稳定性。以延长运转周期;降低原料中的苯烯比。以提高经济效益。异丁烷与丁烯的烷基化是炼油工业申提供高辛烷值组分的一项重要工艺。近年新配方汽油的出现，限制汽油中芳烃和烯烃含量更增添了该工艺的重要性。目前这种工艺使用氢氟酸或硫酸为催化剂。 催化剂的合理选择和应用是化工过程中最关键的技术之一。使用新的反应原料就必须新的催化剂来活化，传统的催化剂应进行改进，使其选择性、与反应体系的相容性清洁性都进一步提高。现在以邻苯二酚生产方法为例:新的生产工艺采用酶E.Coli作催化剂，它能使葡萄糖活化，定向地转化为邻苯二酚[6]。这种新工艺避免了风险原料和试剂的使用也不产生副产品或废弃物。由于催化剂在绿色化学中有重要地位，传统工艺的改造需要催化剂，新的工艺同样需要新催化剂，因此，如何设计高效无害催化剂也就成了绿色化学研究的重要内容之一。当前设计和开发的新型催化剂有以下几种类型:分子氧气化催化剂、新型分子筛催化剂。 水是无毒无害最廉价的催化剂，但对有机物溶解能力差，不适合作有机化工的溶剂。而有机溶剂本身都具有毒性，许多都是致癌物质，还有很强的挥发性，造成严重的污染。近年来，研究无毒无害溶剂的工作正在开展，其中最活跃的是开发超临界流体(SCF)，超临界流体是指处于超临界温度及超临界压力下的流体，是一种介与气态与液态之间的流体状态，其密度接近于液体(比气体约大3个数量级)，而粘度接近气态(扩散系数比液体大100倍左右)。超临界流体CO2用作酸调节剂和惰性气体，在多烯催化氧化反应和多烯双键在酸性条件下的 保护反应中有重要的应用。CO2调节β-胡萝卜素催化氧化反应体系酸性，合成角黄素，同时作为惰性气体，能够有效的保护原料和产物中的多烯双键，为多烯氧化和双键保护开辟了新的途径;CO2代替有机酸应用于氯醇化反应，是良好的酸碱调节剂，无毒、无污染，对环境友好，没有危险，原料充足，操作容易控制，这一研究结论为相关化学工业老产品新工艺改造提供了一条可行的途径。 开发和应用绿色化学工艺，已成为现代化学工业的发展趋势和前沿技术，是实现可持续发展的关键。曾为人类文明做出过不可磨灭贡献的有机化学化工，在21世纪，依然面临着新的机遇和挑战。有机化学应该发展“理想的”合成方法，即强调实用的，环境友好的，资源可持续利用的，它从简单易得的原料出发，在温和的条件下经过简单的步骤，快速、高选择性地转化为目标分子。这就需要化学家从理念、原理、方法等方面进行改革和创新，原子经济性、手性合成、环境友好的“洁绿色化学原理对有机化学化工的发展将有更重要的指导意义。而绿色化学有待在理论、实践领域中进行更深入的研究发展，其发展必然会推动人类社会的进步，相信随着科学的进步和人们绿色意识的提高，人类赖以生存的地球环境会变得更加美好。