绿色化学与化工导论
20世纪化学工业为衣、食、住、行、保健
和娱乐以及国防安全提供了丰富的化学物
质，也带来了不同程度的环境污染
21世纪绿色化学的进展将证明化学有能力
推动经济和社会的可持续发展，保障子孙
后代的美满幸福生活
开设本课程的目的
• 环境污染、能源枯竭等问题是当前人们
最为关心的热门话题之一,传统化学、化
工面临着人类可持续发展要求的严重体
挑战，而绿色化学化工的兴起和发展,既
可以从根本上保护环境,又可以进一步促
进化学工业生产发展,因此化学工业的出
路在于大力开发和应用基于绿色化学原
理产生和发展起来的绿色化学化工技术。
• 通过本课程的学习，掌握绿色化学与化工的基
本概念、基本原理，了解化学、化工生产中的
资源与能源合理利用及生态环境可持续性发展
间的关系。
• 达到开阔视野，拓宽知识面，便于从整体上认
识化学学科，树立既保护环境又推动工业生产
发展的新观念。
• 同时及时了解最新最热门的科学技术成果的研
究进展以及国内外发展状况，为成为知识渊博、
研究方向明确的高素质人才打下基础。
• 本课程为考查课，总学时数为34学时。
• 自学课程：主要以自学为主，辅导两次
。目的培养自学能力。
• 自学内容：按大纲要求，结合教材及有
关参考资料自学，做好自学笔记。
• 考核形式：自学笔记40%，小论文或读书
报告30%，期终考查30%。
课程性质及要求
教材及参考书
• 1、李德华．绿色化学化工导论．北京：科学技术
出版社，2005
• 2、闵恩渍. 吴巍 编著. 绿色化学与化工.北京：
化学工业出版社,20004．
• 3、仲崇立. 绿色化学导论.北京：化学工业出版社,
2000
• 4、贡长生、张克立. 绿色化学化工实用技术.北京：
化学工业出版社, 2002
• 5、沈玉龙、魏利滨、曹文华.绿色化学.北京：中
国环境科学出版社, 2004
• 6、顾国维、何澄. 绿色技术及其应用.上海：同济
大学出版社,1999
• 7、.阿纳斯塔斯， .沃纳.李朝军,王东.绿
色化学理论与应用. 北京：科学出版社, 2002
教学内容及要求
• 第一章 绪论 ：从环境问题的产生与发展，了
解绿色化学的产生、发展、重要性；掌握绿色
化学的定义和特点。
• 第二章 绿色化学原理：掌握绿色化学的12条
基本原则；掌握原子经济性反应及绿色化学手
段；
• 第三章 化学工业的可持续发展：了解可持续
发展与化工清洁生产的关系；掌握化工可持续
发展的有效途径是必须采用绿色技术。
• 第四章 工业生态学原理：了解工业生态学发
展史及几个基本概念；熟悉工业生态学的三大
研究方法（工业代谢、生命周期评价、区域产
业生态系统建设）；掌握循环经济和生态工业
的重要性。
• 第五章 绿色化学化工技术：了解能源、分类及各
种能源技术；了解材料的分类并掌握各类新型材料
的特点；掌握催化技术；熟悉生物技术及分离技术
（微波技术、膜技术、超声技术）。
• 第六章 绿色无机化学工艺：熟悉几种无机化学工
业生产（磷铵生产、铬盐生产、氯碱生产等）的绿
色化。
• 第七章 绿色有机化学工艺：以乙苯脱氢制苯乙烯、
、环氧丙烷绿色生产工艺、醋酸生产的绿色化为例
熟悉几种有机化学工业生产的绿色化。
• 第八章 制药工业绿色化：熟悉各种制药工业（化
学制药、中草药制药、生物制药）的绿色化。
绿色化学又称环境无害化学，由
此发展的技术称环境友好技术或洁净
技术：即利用化学原理在化学品的设
计、生产和应用中即消除或减少那些
对人类健康、社区安全、生态环境有
毒有害物质的使用和产生，设计研究
没有或只有尽可能少的环境负作用、
在技术上和经济上可行的产品和化学
过程。
第一章 绪论
一、什么是绿色化学
迄今为止。化学工业的绝大多数工艺都是20多年
前开发的。
近年来，由于化学工业向大气、水和土壤等排放
了大量有毒、有害的物质。1992年，美国化学工业
用于环保的费用为1150亿美元，清理已污染地区花
去7000亿美元。1996年美国Dupont公司的化学品销
售总额为180亿美元。环保费用为10亿美元。所以
从环保、经济和社会的要求看化学工业不能再承担
使用和产生有毒。有害物质的费用.需要大力研究
与开发从源头上减少和消除污染的绿色化学。
二、绿色化学的重要性
从科学观点看——化学科学基础的创新
从环境观点看——从源头上消除污染
从经济观点看——合理利用资源和能源，降低生产
成本
—— 符合经济和社会可持续发展的要求
三、各国政府推动绿色化学的措施
★ 美国
1990年美国颁布了《污染防治条例》， 将 污染的
防治定为国策
1995年美国副总统Gore宣布了国家环境技术战略。其
目标为:至2020年地球日时。将废弃物减少40-50%,每
套装置消耗原材料减少20一25%；宣布设立“总统绿
色化学挑战奖”；
2000年，美国化学会出版了第一本绿色化学教科书。
在美国2003年公布的21世纪化学化工发展战略中，再
次强调了绿色化学化工的重要性。
★ 日本
制订“21世纪重建绿色地球”的新阳光计
划， 设立“为地球创新技术的研究院”
绿色化学化工作为应对21世纪挑战的关键技术
与基础,已成为21世纪世界科技研究前沿热点：
★ 欧盟
各国
•英国皇家化学会主办的国际性杂志《绿色化
学》1999年1月创刊；2000年设立“Jerwood
Salters环境奖”
•德国 1991年制订“为环境而研究的计划”
•荷兰 制订“清洁生产手册”
•澳大利亚也创建了绿色化学期刊；
★ 中国
制订了“科教兴国”和可持续发展策略，并于
1993年世界环境和发展大会之后，编制了《中国21
世纪议程》郑重声明走可持续发展道路的决心。
◆ 1995年中国科学院化学部组织了《绿色化学与技术——
推进化工生产可持续发展的途径》院士咨询活动
◆ 1997年国家自然科学基金委“九五”重大项目：环境友好
石油化工催化化学与反应工程
◆ 1997年5月，香山科学会议第72次学术研讨会：可持续发
展问题对科学的挑战——绿色化学
◆ 1998年合肥第一届国际绿色化学高级研讨会
◆ 1999年北京第16次九华山科学论坛“绿色化学的基本科学
问题”
◆ 2000年科技部《国家重点基础研究发展规划项目》立项—
—石油炼制和基本有机化学品合成的绿色化学
(1)对我国的环境至关更要的一些工业，如煤炭，石油，
化工，造纸，制革，酿造和制药中的绿色化学开展基础研究；
(2)在"原子经济性"和可持续发展的基础上研究合成化学
和催化化学的基础问题，即绿色合成和绿色催化等；
(3)综合利用现代生物技术和化学化工技术的绿色生化工
程，如生物煤炭脱硫，微生物造纸，新生物煤炭脱硫和新生
物质能源等；
(4)研究如何用类似于生物分子的自复制和自组装过程生
产一般分子(特别是无机小分于)和特殊功能的纳米粒子。
我国把绿色化学列入重点支持的更大
基础领域，确定如下具体目标：
绿色化学的目标能实现吗?回答是肯定的。
因为这是人类社会的共同愿望。但最终杜绝化学污染源，
无疑在技术上、经济上都极为困难，它需要我们更新观念、改
革化工设备和工艺。过去，化学科学只强调化合物的功能、化
学反应的效率．较少研究不利的有毒作用。
新任美国化学会会长在2000年1月发表的就职报告中指出，
更安全的化学是化学家在21世纪化学学习的首要领域，科学技
术是靠人才来推动的．当新代化学家的绿色化学意识提高时，
绿色化工的理论和成果将充分地发展。
近几年，绿色化学这一"预防化学污染的新观点"逐步被人
们认识、接受。美国科学基金会和许多化工企业已提供专门基
金资助绿色化学的研究。美国白宫继提出"信息高速公路计划"
后，1995年，美国专设了"总统绿色化学挑战奖"，奖励有更大
突破的绿色化学成果。
四、绿色化学的可行性
一、绿色化学的主要特点
• 1、化学反应的原子经济性。
• 2、化学反应的清洁性
• 3、化学工艺的循环性和闭路性。
• 4、化学反应技术的可持续性
• 5、化工生产的可持续性
第二章绿色化学原理
二、绿色化学的主要内容
无毒无害原料
可再生资源
环境友好产品
回归自然
废物回收利用
无毒无害
催化剂
无毒无害
溶剂
原子经济反应
• 1.预防（prevention)：防止废物产生优于废物
产生后再处理或清理
• 2.原子经济性（atom economy）：应设计合
成方法使其能把反应过程中利用的所有材料
尽可能多地转化到最终产物中
• 3.低毒化学合成（iess hazardous chemical
synthesis）：只要可行，应设计合成方法使
其利用和产生的物质对人类健康和环境无毒
性或很低毒性。
• 4. 设计安全化学品(designing safer
chemicals):应设计化工产品使其保留功效，
但降低毒性
三、化工生产应遵循“绿色化学12条原则
”
•5.安全的溶剂和助剂（ater solvents and
auxiliaries）：应尽可能避免使用辅助物质（如
溶剂、分离剂），如用时应是无毒的
•6.能量效率设计(design for energy efficiency):
应考虑到能源消耗对环境和经济的影响，并应
尽量少地使用能源。如有可能合成应在常温和
常压下进行
•7.使用可再生原料(use renewable feedstocks):
只要技术和经济上可行，原料应是可再生的，
而不是将耗竭的
•8.减少衍生物(reduce derivatives):应尽可能避
免不必要的衍生化（阻断基团，保护／脱保护，
物理和化学过程的暂时修饰）因为这些步骤需
要添加试剂并可能产生废物
• 9.催化(catalysis):催化试剂（有尽可能好的选
择性）优于化学计量试剂
• 10.降解设计(design for degradation):应设计化
工产品使其在完成使命后不在环境中久留，并
降解为无毒的物质
• 11.防止污染的快速分析(real-time analysis for
pollution prevention):分析方法须进一步发展，
以能够进行即时的和在线的跟踪及控制有害物
质的生成
• 12.本身安全、能防止意外事故的化学
(inherently safer chemistry for accident
prevention):在化学转换过程中，所用的物质
和物质的形态应尽可能地降低发生化学事故的
可能性，包括：泄漏、爆炸、和火灾
第三章、化学工业的可持续发展
-1987年《我们共同的未来》一书发表，提出了“可
持续发展”最经典的定义：“满足当前的需要但不
损及后代满足他们自己的需要”。( “代间不平等”
问题)
-美国环保总署的国家风险管理研究室NRMRL将“可持
续性”表述为：“当我们为了人类健康和环境去持
久地保持或改进物质和社会条件，在不超出支持它
们的生态承载能力的条件下所追求的目标。”
一、什么叫“可持续发展” ？
联合国关于可持续发展的三次会议：
1、联合国人类环境会议（1972，瑞典，113国家参
加，发表“关于人类环境的斯德哥尔摩宣言”及
“人类环境计划”）
2、联合国环境及发展会议（1992，巴西，178国参
加，发表“关于环境与发展的里约热内炉宣言”
等5项公约等）
3、可持续发展的世界首脑会议（2002，南非，191
国家参加，发表“关于可持续发展的约翰内斯堡
宣言”及“可持续发展世界首脑会议实施兴计划
”）
二、可持续发展的定义与历史沿革
（1）面临世界资源的挑战－地球资源７５年耗尽
• 世界自然基金会和联合国环境规划署联合发表的
《２０００年地球生态报告》显示，若按目前的
速度继续消耗地球的资源，那么我们地球的资源
会在２０７５年耗尽。
（2）地球正在失去自我清洁的能力
• ２２年来，一种能够清洁空气的关键自由基分子在世界范围
内逐渐减少，它的浓度平均下降１０％，至今尚不清楚它下
降的原因和周期，它将对地球的健康构成巨大的威胁。它是
地球的防污染剂，它的减少将使烟尘越来越浓，导致破坏保
护地球的臭氧层。
三、可持续发展的战略需求（世界形势）
• 能源供应无疑是可持续发展的头等大事。据
EIA2001公布: 预计今后50年安定人口增长50%，
而随着人均收入提高，相应人均能源会不断增加。
所以估计今后20年总能耗会增加50%。
• 如何经济地满足这种能耗需求增长，又不显著增
加环境成本就是一个挑战。多数专家认为：20—
—50年内，主要还是靠化石燃料（石油，天燃气
及煤炭）。
能源种类 石油 天然气 煤炭 核能 可再生能
源*
世界 占 百 分 比
（%）
39 23 22 9 7
中国 占 百 分 比
（%）
29 3 65
※ 可再生能：太阳能、风能、水利发电、生物能
2000年世界能耗构成
能源问题……..
如温室气体排放，臭氧层破坏等,过去10年里全
球水文气象灾害数量增加了一倍。
若化石燃料不加限制地消耗下去，2030年CO2浓
度可达到550 ppm,到2050年气温会上升－℃。
那时生态灾难又会比现在上升几倍？
（3）全球环境处于危险的十字路口
全球的生态系统正在向危险的临界值接近，
环境的恶化导致自然灾害，近十年中导致世界６
０８０亿美元的损失，过分对矿物燃料的使用，
使气温变暖，北极冰盖已减少4２％，继续变暖
会导致水资源的极度缺乏，食品的减少，和诸如
疟疾、登革热之类致命的疾病广为扩散。
经济形势之一：中国经济高速发展
近近2020年（年（1985~20051985~2005年）中国经济高速发展。年）中国经济高速发展。20022002年国内年国内GDPGDP总量超过总量超过1010万亿元，万亿元，
人均人均GDPGDP超过超过10001000美元；美元；20052005年国内年国内GDPGDP达到达到2020万亿元，人均万亿元，人均GDPGDP超过超过15001500美元。美元。
1949～1986
37年
1986～1996
10年
1996～2001
5年
2001～2003
2年
50005000万吨万吨
1953～1984
34年
1999～2002
3年
1993～1999
6年
1984～1993
9年
亿平方米亿平方米
1953～1992
39年
2002～2003
1年
2000～2002
2年
1992～2000
8年
中国经济的高速发展，带动了钢铁、建筑、汽车等各行各业的加速发展。中国经济的高速发展，带动了钢铁、建筑、汽车等各行各业的加速发展。
100100万辆万辆
四、可持续发展的战略需求（中国形势）
国家 位次 工业生产率 中国相当（％）
挪威 1
美国 2
日本 7
法国 16
英国 17
德国 22
韩国 25
中国 47 -
资料来源：瑞士洛桑国际管理开发研究院，《世界竞争力年鉴（2003）》
一些工业国家的工业生产率比较
各国工业化程度
经济形势之二：重工业是中国经济发展的主要支柱
• 材料工业是国内经济发展的物质基础，如钢产量伴随
着GDP同步增长；
• 2006年我国钢产量达到亿吨，占世界钢产量的
%；水泥产量达到亿吨，占世界产量的50%；
• 重工业一般是资金密集、劳动力密集的高能耗、高污
染产业。
国内生产总值(GDP)与粗钢产量的发展趋势
2005年：世界钢产量亿吨
2006年：世界钢产量亿吨
我国钢产量在世界上的地位
万
吨
国内水泥产量的发展
我国经济增长的主导是重工业，我国经济增长的主导是重工业，19851985年至年至20052005年间，重工业产值占国内工业总年间，重工业产值占国内工业总
产值的比例波动在产值的比例波动在5050——70%70%。。
我国以重工业作为经济发展的主要支柱，是造成单位我国以重工业作为经济发展的主要支柱，是造成单位GDPGDP能耗高、污染严重的主能耗高、污染严重的主
要原因。要原因。
国家和地区
单位美元GDP消费的能源数量（千焦耳）
1998 2002
能源数 位次 能源数 位次
中国香港 2646 1 3100 1
日本 3642 3 4906 4
德国 5596 6 6295 7
法国 5893 7 6819 10
韩国 11945 30 17302 35
美国 12487 31 9972 26
印度 31108 41 31625 44
俄罗斯 32302 45 86110 49
中国内地 49176 44 35282 47
一些国家能源使用率比较
资料来源：瑞士洛桑国际管理开发研究院，《世界竞争力年鉴（1998）》，《世界竞争力年鉴（2002）》
经济形势之三：中国经济发展进入转型期
• 世界各国人均GDP达到1000-3000美元是重要的经济转型期，也是战略机遇期；
• 经济转型期的重要标志是发展中国家转为发达国家，工业化社会转为信息化社会；
• 转型期的主要社会矛盾是经济高速发展与资源环境的制约；
• 欧、美经历这一发展阶段的时间长达12~19年；日、韩国用7~8年实现转型；而墨
西哥、巴西、菲律宾、泰国、马来西亚等国长期未能实现转型，经济陷入停滞不前。
我国经济发展与GDP增长趋势
为了尽快实现中国经济转型，必须坚持节能减排、建设节约型社会的基本国策，为了尽快实现中国经济转型，必须坚持节能减排、建设节约型社会的基本国策，
进一步降低能源、资源消耗，改善社会环境。进一步降低能源、资源消耗，改善社会环境。
中国的环境污染非常严重
•大气污染：一级标准城市只占６００多个城市中的不到１％
工业污染：中国流行病的８０％是由于水污染传播。
•固体废弃物严重：以１０％速度增长，存储量已达６.４９亿
吨，占地万顷。……………………….
我国化学工业经济增长
很大程度建立在大量消耗能源及原材料的基础上，有时以
牺牲环境为代价。
我国化学工业总产值居世界第三位，但人均化工产值仅
为世界平均的1/4；
我国化学工业总能耗为美、加、墨三国之和的倍，。
但产值相当三国之和的%.
化工废水排放量占全国工业部门的%，名列第1位；
化工废气排放量占第4位，固体废物排放占第5位，但危险
废物占60%，为第1位。
万元产值水耗为美国的倍。而万元产值的污染物排放
强度是美国的近百倍。
可持续发展面临的问题之一——
资源缺乏
社会转型期是重要战略机遇期，也是各种矛盾凸显期，随着经济快速
增长和人口不断增加，资源约束矛盾日益突出，环境形势更加严峻。
主要国家的铁矿石储量与钢产量
从资源禀赋看，我国是总量上的
大国，人均上的贫国。人均淡水资源
占有量仅为世界平均水平的四分之一，
人均耕地占有量不到世界平均水平的
40%，45种矿产资源人均占有量不到
世界平均水平的一半，石油、天然气
人均占有储量为世界平均水平的7%
和%，铁矿石、铜和铝土矿储量分
别为世界平均水平的1/6、1/6和1/9。
随着经济发展，GDP增长与资源消耗呈线性正比关系。这意味着今后国内
经济的发展需要大量的资源。因此，国内资源缺乏将是束缚我国经济高速
发展的重要制约因素。
资源类型 中国储量占世界储
量%
中国人均占有量 / 世界人
均占有量
%
能
源
煤 51
石油 11
天然气 5
水资源 淡水 25
我国的能源及水资源现状
我国是一个公认的能源短缺而又贫水的国家 !!!
可持续发展面临的问题之二——
大气环境污染严重
全国527个市（县）中，
出现酸雨的城市有298个，
占统计城市的%，有
些地区的酸雨频率达到
100%。据测算，大气污
染造成的经济损失已经
占到GDP的2~3%，中国
的大气污染的形势不容
乐观。
40% 40% 国土受酸雨威胁国土受酸雨威胁 温室效应气体排放居亚洲之首温室效应气体排放居亚洲之首
二氧化硫排放逐年增加二氧化硫排放逐年增加
2003年七大水系各种水质类别所占比例
我国人均水资源不足世界平均值的1/4，而且水质
受到较严重的污染。目前，全国60%的城市存在不同
程度的缺水，108各城市严重缺水，饮用水源地水质
较差，约有30%人口得不到安全饮用水。
20032003年我国生活垃圾清运量达年我国生活垃圾清运量达亿亿
吨，年均增长吨，年均增长7-107-10％，处理率远远达不％，处理率远远达不
到要求，垃圾围城现象普遍。到要求，垃圾围城现象普遍。
可持续发展面临的问题之三——
水质污染、固体废弃物泛滥
可持续发展面临的问题之四——
人居环境受到严重威胁
全国主要城市空气污染综合指数
电厂对大气污染
北京遭遇的沙尘暴北京遭遇的沙尘暴
太湖污染太湖污染
• 全球CO2排放量从2001年的249亿吨增加到2005的292亿吨，同
期美国从63亿吨升到65亿吨，中国从28亿吨猛增至53亿吨。
2006年，全世界的CO2排放量突破300亿吨；
• 据联合国能源署估测，2002年中国排放CO2总量已经达到
亿吨，是十年前的倍，折合人均吨，美国人均吨，
德国吨；
节能减排的压力与困难——来自国外的压力
炭燃烧生成CO2(约占总量的80%)是产生温室效应的主要因素，
CO2阻挡太阳光辐射造成全球气温上升、环境恶化和自然灾害频繁
发生。全球必须共同抑制CO2的排放量。
• 中国已签署京都议定书，作为发展中国家暂不承诺CO2减排
指标，但发达国家普遍认为中国不承担控制温室气体排放的
义务，仍不能减少空气污染和温室气体的危害。
结论：结论：中国环境污染与温室气体排放已引进全世界的高度关注，
必须尽快采取节能减排措施减少环境污染和温室气体排放量。
五、可持续发展研讨内容
1.“可持续发展” 及其现存问题
2. 国际绿色工程发展动态
3. 可持续发展的工程技术和评价体系
4. 中国面临资源、能源和环境更严峻的挑战
5. 树立和落实科学发展观,全面建设小康社会的奋斗
目标,加快推进社会主义现代化
国策：“可持续发展” 。
廿一世纪人类的进步,已进入了可持续发展的阶段，其
产业系统是工业生态系统，发展的经济模式就是循环经
济。
“可持续发展与生态工业”其科学与技术基础是绿色化
学科学与工程
I
20世 纪 70
年代---
II
80年代---
III
90年代--
IV
21世纪
响应性质 资源环境挑
战被动响应
接受现实
主动予防
业务策略
建设性规划
生态化规划
预见性
注意焦点 末端治理 注意源头
治理
源头治理:产
品,产业结构
生态化系统
功能
主要行动者 专业人员 管理人员 行业和地区 全社会
优化目标 最小污染 最小排放 优化结构 多目标大系
统优化
生态对策 污染防治 清洁生产 生态产业 生态园区、
城市----
社会对环境响应的四个发展阶段
国际社会可持续发展思想的历史沿革
21世纪可持续发展的系统与园区的模
式是生态工业系统与生态工业园区。应
用系统工程的方法，去分析、研究、设
计与规划化工园区大系统中的基本流：
物流、能量流、资金流与信息流，以达
到环境友好、资源、能源与资金最优化
利用目标。----生态工业园区
第4章 工业生态学原理
– 循环经济是仿照自然生态系统，在生产、流
通和消费等全社会范围内, 通过物质循环、
废物最小化、工艺替代和产品共生等方式，
组织成一个“资源—产品—再生资源”的物
质反复循环流动的过程，达到资源、能源的
高效利用，对环境影响最小的的经济模式，
本质上是一种生态经济。
– 3R原则，即减量化（reducing）、再利用
（reusing）再循环（recycling），是实现循环经济
的重要行为原则。
一、循环经济,绿色GDP与可持续发展
二、生态工业园区及其大系统过程集成
生态工业园是依据循环经济理念和工业生态学原
理而设计建立的一种区域型新型工业组织形式，通过
模拟自然系统建立产业系统中“生产者——消费者—
—分解者”的循环途经，尽可能实现物质闭路循环和
能量多级利用。
即生态园内企业模拟自然界生态系统，相互之间存
在协同和共生关系，将最大限度地充分利用资源和减
少负面环境影响，最后达到工业可持续发展的目标。
1、丹麦的卡伦堡( Kalunborg) 生态工业园区
迄今为止，在世界上发展较为成熟的生态工
业园区是丹麦的卡伦堡( Kalunborg) 生态工业园
区，该园区以一个炼油厂、一个硫酸厂、一个制
药厂、一个火力发电厂、一个渔场和一个石膏板
厂组成了一个工业网为核心，其它成员包括农场、
大棚养殖、养鱼场，通过贸易方式把其它企业的
废弃物或副产品作为本企业的生产原料，建立工
业园区代谢生态链关系，它们彼此交换能量和物
质流。如图所示:
丹麦Kalundborg的工业网络图
鱼 塘
壁板厂
街区供热
水泥和铺路农药厂
硫
淤泥肥料
粉煤灰
废热
淡
水
湖
泊
制药厂
硫酸厂 2.炼油厂 温室
1.燃煤电厂
废热
石膏
废
热
烟
气
冷
却
水
蒸
汽
蒸
汽
1.燃煤电厂位于这个工业生态系统的中心，对热能
进行了多级使用，对副产品和废物进行了综合利用。
电厂向炼油厂和制药厂供应发电过程中产生的蒸汽，
使炼油厂和制药厂获得了生产所需的热能；通过地下
管道向卡伦堡全镇居民供热、加热温室并给养鱼厂供
暖，由此关闭了镇上3500个燃烧油渣的炉子，减少了
大量的烟尘排放。
将除尘脱硫的副产品工业石膏，全部供应附近的一
家石膏板厂作原料。同时，还将料煤灰出售，供铺
路和生产水泥之用。
2. 炼油厂和制药厂也进行了综合利用。药厂处理
的淤泥被送到附近的农场作为肥料。炼油厂产生的
火焰气通过管道供石膏厂用于石膏板生产的干燥使
用，又减少了火焰气的排空。一座车间进行酸气脱
硫，生产的稀硫酸供给附近的一家硫酸厂；炼油厂
的脱硫气则供给电厂燃烧。
分析Kaluindbory的物质和能量的交换，发现有趣的特征：
** 1. 这种能量交换有更显著的能效
例如：电厂 发电过程产生的废热和蒸汽，可送往
炼油厂、温室、渔场及居民区供热系统进行利用。
如果能找到废蒸汽的利用市场，那么90%以上的从
工厂燃煤产生的热量能够被利用，唯一的损失便
是烟囱排气所损失的能量。与此相比，典型的美
国煤-火力发电厂利用燃煤产生的热量效率约仅为
40%。
** 2.物料和能量交换能为参与者提供经济效益
在某些情况下，例如电厂把硫酸钙卖给石膏板生
产厂，直接的经济效益并不能完全收回成本,此时的交
换是由相应的法规驱动的（比如需要净化电厂烟囱尾
气以除去SO
2
）,这些交换可避免废物掩埋或处理洗涤
器废物的其他方式，故而使成本降低。而在其他情况
下，例如炼油厂使用电厂的废热，这些交换是自给自
足的。
3.卡伦堡生态工业园还进行了水资源的循环利用。炼油厂
的废水通过生物净化处理，通过管道向发电厂输送，每年
输送电厂70万立方米的冷却水。整个工业园区由干进行水
的循环使用，每年减少25%的需水量。最终实现了园区的“
污染零排放”。
通过各个成员间的物质和能量交换，实现了
物质的部分循环和能源的逐级利用，获得了良好的
经济和环境效益。
钢厂
水泥厂 汽车粉碎机
塑料和金
属分离
金属回收
能量回收
塑料回收
能量
美国北德克萨斯州的工业生态园内的物质流
EAF Fe
灰尘
ASR
2、美国北德克萨斯州的一个生态工业园
美国北德克萨斯州的一个生态工业园
• 在美国北德克萨斯州的一个生态工业园的中心便是
一个钢厂，它利用废汽车作为主要的原材料。
• 从废汽车中得到的钢，被送到电弧炉中，制成各种各样的钢
铁产品。
• 炉子同时产生大量的电弧炉（EAF）灰尘，其中包含大量锌、
铅或其他金属。在北德克萨斯州工业园，EAF灰尘被送到需
要痕量金属（Cu,S,Mn,Cr,Ni,Zn,Pb或其他金属）的水泥窑
中。
• 汽车粉碎后的残余物被燃烧以回收能量，或者将一些塑料从
残余物中分离出来。
序号 E，P项目 地址 涉及行业特点
1 查尔斯角 弗古尼亚
农业、海产品及海水养殖、旅游．艺术品，高新
技术产品
2 费尔菲尔德 马里兰 石化、有机化学品、废物再利用、环境技术
3 布朗斯维尔 得克萨斯
炼油、沥青、化工、纺织、车罩部件、热电、污
水处理、溶剂回收
4 河岸 佛蒙特 生态农业，生物能源，废物处理
5 绿色协会 明尼苏达 绿色产业孵化器、废物再利用
6 普拉兹堡 纽约 军事设施再开发、资源和废物管理
7 东海岸 加利福尼亚 资源再生、自然美化、提高能源效率
8 特灵顿 新泽西 现有工业区的再开发，清洁工业
9 沙为昂 亚利桑那 商准一体化开发；环境，自然特色
10 富兰克林 卡罗莱纳 可更新能源与环境技术的商贸联合体
美国部分生态工业园区
加拿大部分生态工业园区
序
号
生态工业区名称
园址 主要生产企业
1
伏特萨斯喀彻温
(FortSaskatchewan) 萨斯克
(Sask)
化学品，聚氯乙烯、苯乙烯、电力、生物燃料等
2
康沃尔
(Cornwall) 安大略湖
(Ontario)
热电联产、造纸、化工、电力设备和水泥等
3
比勘克
(BecancouE) 魁北克
(Quebec)
氯碱．盐酸、双氧水、烷基苯磺酸盐等化工
4
东蒙特利尔
(MontrealEast) 魁北克
(Quebec)
炼油．石化、工业气体，石膏板、冶金等
5
圣乔尔
(SaintJohn) 新布伦瑞克
(NewBrunswick)
电力、造纸，炼油、酿酒、制糖等
三、生态工业群--园区生态工业模式
原子经济性 + 零排放
循环经济 + 环境友好
1 2 3
4
5
6
生态工业园区为大系统（网），生态工业群（链）为工业园区
的一级子系统，企业为二级子系统（点）…………………。
将各个生产子系统内部及之间的物料流、能量流
与资金流形成网络，尽可能地使一个过程的副产
品或三废物流成为另一过程的原料流，使一个过
程的废热流（剩余有效能流）成为另一过程的热
源流，籍以实现系统内多个生产过程内及过程其
间从原料、中间产品、到三废的物质流循环，以
及不同能阶的有效能能量流循环。
进一步将源头的能源与环境系统包括在内，进而
实现资源、能源、投资的高效的优化利用，必须
重视与实现大系统过程的优化。
生态工业园区的网络集成与优化
绿色工程建立生态工业是依据生态经济学原理，以节
约资源、能源、清洁生产和废弃物多层次循环利用（即节
能、降耗、减排原则）等为特征，以现代科学技术为依托，
运用生态规律、经济规律和系统工程的方法经营和管理的
一种综合工业发展模式。
工业生态学的核心是如何实现循环经济与环境友好理
念，实现再生资源的利用, 即用化学方法改变和回收利用
废物，将废物转化为原料，进而达到资源与能源高效利用
的目标。
四、绿色工业生态系统
过程集成是实现绿色化工目标的核心技术
1、夹点分析――（资源、能源节约型）
基于热力学原理的集成换热器网络的夹
点技术推广到传质交换网络中来。质交换器
指的是任何逆向直接接触的传质操作，如吸
收、吸附、液—液萃取、离子交换、浸取、
汽提，氢夹点分析等。这种质交换网络分析
的目的是设计污染杂质的回收网络，以减少
污染。废水最小化的夹点设计方法。
第5章 绿色化工及技术
绿色化学与化工：热交换网络的建立仍是世界化工节能的主要技术
现代的集约型流程
（1个装置）
传统的常规型流程
（11个装置设备）
乙酸
甲醇
催化剂
乙酸甲酯
溶剂
共沸物
水
溶剂
共沸物
水
较重组分
蒸馏
萃取
蒸馏
反应
蒸馏
反应
反应
蒸馏
蒸馏
乙酸
催化剂
甲醇
乙酸
甲酯
绿色化学与化工：由传统流程向集约型耦合过程发展
3R
2、深度过程集成：网络超结构模型模拟
立足于通用反应器及相互连接的流股网络
构成的超结构，在研究传质和传热的各种可能
安排的基础上，找寻最优化的结构。
① 用可再生资源代替不可再生资源
② 氢夹点分析
③ 基于溶剂的分离系统设计
④ 利用微化工厂来规避风险、提高效率
⑤工厂公用工程及联产系统的节能
环
氧
乙
烷
草酸（媒染剂、除锈剂、漂白剂） 墨水、染料、皮革
二醋酸乙二醇酯（溶剂）
反应分离与聚合 醇酸树脂、涤纶
二甘醇
乙二醇
三甘醇
水合
脱水
氧化
医药、化妆品等
醋酸
绿色石油化工的生产链——如环氧乙烷的深度加工，
及再生资源的循环利用
乙
烯
石
油
醇解或
水解
单体
…….
…….
…….
…….
…….
绿色石油化工的生产链与资源的循环利用
绿色化学与化工：生物质“循环利用”的绿色过程示意
图
生物质(例
如玉米等)
葡萄糖液
细菌和酵母
二步转化
肥 料
特
种
精
馏
浓缩与分离(膜、
超临界等)
产品b
肥 料
土 壤
聚 合
生物降解
产品a
精制（结
晶等）
绿色产
品c
……
催化反应
绿色产
品d
……
绿色产
品e
……
离
子
交
换
等
α—一氯丁酸（MBA）和无用副产物α—α二
氯丁酸（DBA）的反应器，目标是使MBA的转化
率最大化。这个问题的难处在于：第一、气液
两相反应器；第二、反应及其动力学均很复杂。
用常规反应器：逆流填充床，搅拌槽反应器和
鼓泡塔三种，结果证明最大转化率不超过
%。而用网络超结构模型模拟设计的新反
应器，转化率可达到 %。
丁酸氯化时生成案例
因为化学工业能耗中有43%用于分离，
分离设备投资占总投资的40—70%，而分
离中精馏用能又占其中95%，因此，如何
通过集成减少精馏过程耗能就自然成为研
究重点。复杂精馏包括预精馏，侧线精馏，
侧线汽提和完全热耦化的Petlyuk精馏,可
以大幅度降低能耗。
复杂精馏塔的集成案例：
这种用Micro-chemical Plant现场制造剧
毒化学品的装置已经商品化，例如，用CH4和
NH3生成HCN，可以在1000°C高温下的微反应
器中生成。
由于这种微化工厂的设备内的通道小到5nm
-- 500μm , 这种纳米级的系统中流体的传热、
传质及化学反应的规律均与常规系统差别很大。
④ 利用微化工厂来规避风险、提高效率：
国际化学工业产品结构发展态势
原料—基本化工—精细化工
—功能产品 生产链链式结构
基本化工：规模效益（资源利用率的提高）
信息化程度（自动化程度）的提高
能耗的降低
精细化工(包括功能产品): 产品结构的及时调整
多产品车间的建立——柔性生产线
根据2000年全球统计数据，在美、英、日、德等国的
大化工行业的GDP中精细化学品及功能产品占79%。
石油化工一体化：
合理生产链及其优化与产品结构的及时调整
２０世纪末期，美国商业部作了一项统计，以
石油作基准计算，如果作为燃料烧掉价值为1的话，
若把它全部分离为“基本原料”，则价值增至2，
若合成出“通用化学品”将增值至4，进一步制成
“精细化学品”将增值至8，最终制成“专用化学
品”增值至106，其价值比值为1:2:4:8:106。
国际制造业业竞争焦点：我国必须
向精品高端制造强国前进。
能源消耗大能源消耗大
环境污染严重环境污染严重
资源效率低资源效率低
比世界先进水平高比世界先进水平高35~200%35~200%
年粉尘排放年粉尘排放 500500万吨万吨
COCO22气体排放超过气体排放超过 77亿吨亿吨
年消耗矿资源年消耗矿资源100100亿吨亿吨
建材工业存在的突出问题
2001年~2005年
总产量
（亿吨）
总能耗
（亿吨）
废气排放
（亿m3）
烟、粉尘排放量
（万吨）
固体废弃物利用量
（亿吨）
水泥 2708
CO2
公斤/吨
SO2
公斤/吨
水耗
公斤/吨
粉尘
公斤/吨
能耗
公斤/吨
资源消耗
公斤/吨
国内（先进） 940 1600
国外（先进） 790 1548
差距对比 16% 85% 58% 71% 23% 3%
国内外建材行业能源、资源消耗和污染物排放状况对比
我国近五年建材行业状况
能源消耗大能源消耗大
环境污染严重环境污染严重
资源效率低资源效率低
能源消费量约占全国总能源量的%
占全国工业能源消费总量%
工业废气排放占全国工业“三废”排放量第4位
工业固体废弃物排放全国工业“三废”排放量第4位
工业废水排放占全国工业“三废”排放量第1位
化工行业存在的突出问题
化工行业万元GDP能耗（吨标煤）
石油与化学工业能耗高、
三废排放量大，与国家“
十一五”规划节能减排指
标存在很大差距(高出
倍）
*2005年统计数据
材料工业与国际先进水平的差距
吨钢（冶金） 吨水泥（建材） 吨乙烯（化工）
中国
日本
差距21%
差距44%
差距70%
单位：千克标煤
结论:
• 依据现有数据比较，我国钢铁、
化工、建材等基础原材料产业主
要产品的单位能耗均比国际先进
水平高。
• 吨钢综合能耗高21%；
• 水泥综合能耗比发达国家先进
水平高30—40%；
• 在化工产品中，一般产品的单
位能耗比发达国家高20—30%，有
些产品甚至高出40%，如大型合成
氨综合能耗比国外高出%。
• “十五”期间钢铁、有色、电力、石化、建材、化工等六大高耗能行
业增长%，重工业同比增长%，增速比轻工业快个百分点，
产业结构趋于重型化的格局没有改变。
• 淘汰落后产能工作难度加大。部分地区电力、钢铁、有色、水泥、建
材等淘汰落后产能进展缓慢。
• 突发环境事件时有发生。
结论：严格控制钢铁、有色、建材等行业经济过热，加速淘汰落后产能对节
能减排的贡献十分巨大。
淘汰落后,建设节约型社会
多元化水源管理
循环用水与阶梯用水
发展高新技术，转变增长方式
——城市和重点耗水行业综合节水技术集成
攻关目标：污水零排放，吨钢新水耗量，水重复利用率>%。
技术关键：
• 多元化水源管理，海水淡化与中水回用；
• 循环用水技术，提高循环倍率；
• 阶梯用水工艺；
• 废水净化与处理技术。
钢铁行业综合节水系统集成
发展高新技术，转变增长方式
——建筑材料绿色制造关键技术与装备
通过攻关，使建材行业的主导产业：
节能20~45%
节约资源15~50%
减少排放15~45%
产品质量达到或超过国际先进水平
建设10余条示范生产线。
节能（标煤） 1500万吨 节电 130亿度
减少石灰石用量 6000万吨 节地 8000亩
利用固体废弃物 亿吨 节陶土 1000万吨
减少CO
2
排放 7000万吨 减少NOx 等20万吨
综合节能综合节能25%25%以上以上!!!!
项目成果按产量计应用二分之一（其中新型墙体材料替代20%的
粘土砖）, 每年产生节能减排效果：
发展高新技术，转变增长方式
——化工行业节能减排的技术途径
由多个反应和分离过程组合而成工艺过程工艺过程
行业规模居世界第三位，产品种类繁多、齐全，但96％是中小
企业，工艺技术落后，高能耗，高污染问题严重
行业特点行业特点
原料 纯化分离
过程
化学反应
过程
产物分离
过程
产品
“三废” 三废处理 排放
过程能耗：反应过程占30～40％，
分离过程占60～70％
“三废源”：100％由反应过程产生
过程核心：反应过程
化工反应过程强化技术
化工分离过程强化技术
““节能减排节能减排””关键技术关键技术
从“末端治理”扩展到“源头”，从企业内扩
展到企业外
物质减量化
碳、硫、氮
氧化物的减
量化
环境质量
清洁生产
循环经济
采用二次资源
采用可再生能源
生产者责任的延伸
变“出售产品”为“出售
服务”
环境设计
产品的环境标识
源头治理为本，末端治理
为辅
分析手段：
物流分析
产品生命周期分析
绿色化学的方向
1、 无毒、无害的原料
2、在无毒、无害的反应条件下进行
3、"原子经济性“
4、 产品应是环境友好的
5、“闭路循环”之路
•常用的许多化学、化工原料，如：氰氢酸、丙
烯氰、甲醛、环氧乙烷、光气、卤代芳烃、稠
环芳烃等都具有毒性，对环境有很大的危害。
清洁原料的战略任务是"用生物质作化工原料"。
1、 无毒、无害的原料
•在代替剧毒的光气作原料生产有机化工原料方面。
Riley等报道了工业上已开发成功一种由胺类和二
氧比碳生产异氰酸酯的新技术
•关于代替剧毒氢氰酸原料，Monsanto公司从无毒
无害的二乙醇胺原料出发。经过催化蜕氢，开发
了安全生产氨基二乙酸钠的工艺，改变了过去的
拟氨、甲醛和氢氰酸为原料的二步合成路线。并
因此获得了1996年美国总统绿色化学挑战奖中的
变更合成路线奖。
石油与煤：早期人类主要利用植物等生
物质，如用植物染料染布，从植物中提
取 药用成分。 但150年前人类发现了煤、
石油等化石 类原料，并致力于开发利用
这些原料。目 前石油化工和煤化工已成
为各国的基础产业。然而石油和煤资源
有限，在利用过程中 还产生污染，其缺
点已逐渐突现出来。因此迫切需要寻找
新的、清洁的原料，在这些 新原料中，
最引起人们注意的是生物质。
绿色植物通过光合作用直接产生或间接衍生的所有物
质即为生物质。
如：植物，地球上储量约2亿亿吨，年再生速度1640
吨。其主要成分为：淀粉（由葡萄糖经a-1,4化学键相
连）和纤维素（由葡萄糖经b-1,4化学键相连）。
生物质中最值得利用的是木质纤维素，其优点是（1）由可
降解的葡萄糖组成；（2）生物圈中最丰富的有机物。然而
在实际应用时却遇到许多困难，其应用中的主要难点为：
（1）多处于结晶态；（2）采用b-1,4化学键；（3）与木质
素连结在一起。
生物质
生物质利用的初步尝试
生物质的利用目前还没有理想方法，比较有效的
方法有：
"爆破法"：即采用先高压再减压的方法，将纤维
素与木质素分离。
稀释的酸溶解。
有机溶胶提取技术。
超临界萃取等，将纤维素提取出。
应该看到：
过去，石油化学工业的发展耗费了人类一个多世
纪的时间，现在的生物质化学工业从设想变成现实可
能需要至少几十年的努力。
利用可再生资源生产大宗
有机化工产品方兴未艾
以植物为主的生物质资源是一个可再生的
巨大资源宝库，利用可再生资源可以消除
污染，用之不竭，实现可持续发展
开发生物催化技术是关键
国外生物技术生产大宗
化工产品已取得突破
Du Pont和 Genecor International等合作建成由玉米
生产1，3―丙二醇(PDO)装置，成本比化学法低15％
Cargill―DOW公司正在建设一个14万t/a的聚乳酸
工厂，用于生产塑料、纤维
• Frost报道以葡萄糖为原料，通过酶反应可制得己二
酸、邻苯二酚和对苯二酚等。尤其是不需要从传统
的苯开始来制取作为尼龙原料的己二酸取得了显著
进展。
• 另外,Gfoss首创了利用生物或农业废物如多糖类制
造新型聚合物的工作。具优越性在于聚合物原料单
体实现了无害化;生物催化转化方法优于常规的聚合
方法@Gross的聚合物还具有生物降解功能
从生物质原料所制产品的目标
产品种类
生物质原料产品所占比例，%
当前 2020年 2090年
液体燃料 1~2 10 50
有机化学品 10 25 90
美国国家研究委员会
（National Research Council)
利用可再生资源生产大宗
有机化工产品的研究
可再生植物原料中现在使用的葡萄糖，正在开
发低成本的蔗糖，最后使用木质素纤维
生物催化、化学法的组合
组织多学科合作，加强研究
常用的有机溶剂和催化剂：常用的有机溶剂有：
苯、氯仿、二氯甲烷等，常用催化剂有：金属（重
金属）等。这些有机溶剂的催化剂通常有一定毒性，
因此需要寻找无毒、无害的反应条件。
2、在无毒、无害的反应条件下进行
挥发性有机溶剂有广泛用途
–涂料和油漆的溶剂
–泡沫塑料的发泡剂
–微电子器件等的精密清洗
–服装干洗的清洗剂
–化工生产过程中作为溶剂
挥发性有机溶剂对环境的危害
-形成光化学烟雾
-引起和加剧多种呼吸系统疾病，增加癌症发病率
-导致谷物减产、橡胶硬化等，每年造成大量损失
-二氟二氯甲烷等破坏地球大气中的臭氧层
* 无溶剂反应：
从理论上讲，无溶剂，则不会有溶剂的毒害。然
而许多反应需要溶剂参与传热或传质等，无溶剂对反
应非常不利。
* 以水为溶剂：
水对环境无害。但有些反应物不溶于水，且废弃
的水会对人类生活产生影响。况且，人类面临淡水供
给危机，这种做法无异于雪上加霜。
* 以超临界流体为溶剂：
这是非常有前途的方法，如采用超临界二氧化碳，
可溶解多种反应物，并能促进许多反应的发生。超临
界二氧化碳具有无毒，不可燃，价廉等优点，已得到
了广泛应用。
用无毒无害的溶剂：
•研究水或近临界水作为溶剂以及有机溶剂/
水相界面反应。采用水作溶剂虽然能避免
有机溶剂，但由于其溶解度有限，限制了
它的应用，而且还要注意废水是否会造成
污染。在有机溶剂/水相界面反应中。一般
采用毒性较小的溶剂(甲苯)代替原有毒性
较大的溶剂，如二甲基甲酰胺、二甲基亚
砜、醋酸等。采用无溶剂的固相反应也是
避免使用挥发性溶剂的一个研究动向，如
用微波来促进固、固相有机反应。
超临界二氧化碳溶剂的优点
二氧化碳在常温下是气体，无色、无味、不燃
烧、化学性质稳定
不会形成光化学烟雾，也不会破坏臭氧层
来源丰富，价格低廉
超临界二氧化碳可很好地溶解一般有机化合物
超临界二氧化碳是指温度和压力均在其临界点
(3llC、)以上的二氧化碳流体。它通
常具有液体的密度。因而有常规液态溶剂的溶解
度;在相同条件下。它又具有气体的粘度,因而又
具有很高的传质速度。而且。由于具有很大的可
压缩性。流体的密度、溶剂溶解度和粘度等性能
均可由压力和温度的变化来调节。
用超临界二氧化碳代替
挥发性有机溶剂的应用
替代机械、电子、医药和干洗等行业中普遍采
用的挥发性有机清洗剂
代替氟氯烃作泡沫塑料的发泡剂
超临界CO2为溶剂，生产氟化物单体和聚合物
超临界二氧化碳代替有
毒、有害溶剂的发展
利用我国合成氨厂、炼油厂中制氢装置大量
排放的CO2，开发（或引进） 超临界CO2技术在
房屋装修、泡沫塑料生产、服装干洗等中应用，
形成新兴产业。
•近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%。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
采用无毒、无害的催化剂
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。
开发新一代苯与烯烃烷基化
无毒无害固体酸催化剂
工艺 传统工艺 绿色工艺
乙烯与苯烷基化 AlCl3 ZSM-5气相法
USY、液相法
丙烯与苯烷基化 AlCl3 、MCM-22
液相法
长链烯烃与苯
烷基化
HF 固体酸-固定床
传统AlCl3、HF催化剂的缺点：腐蚀设备，危害
人身健康和社区安全，废水、废渣污染环境
开发新一代芳烃烷基化
固体酸催化剂
分子筛固体酸催化剂
环境友好，但是：酸强度低，分布不均，酸
中心少；因而，反应温度和压力高，产品杂质
增多
为克服上述缺点，下一代固体酸催化剂
杂多酸、包裹型液体酸、Nafion/SiO2复合材
料、纳米分子筛复合材料、离子液体等
开发新一代苯与烯烃烷基化
无毒无害固体酸催化剂
加快已有基础的负载型杂多酸的开发
利用悬浮催化蒸馏等新工艺
力争开发具有中国特色的独特先进新催化剂和
工艺
继续研究纳米分子筛复合材料、离子液体等新
催化材料
Trost在l991年首先提出了原子经济性(Atom economy 的概
念，即原料分子中究竟有百分之几的原子转化成了产物。
理想的原子经济反应是原料分子中的原子百分之百地转变
成、产物，不生副产物或废物。实现废物的"零排放
"(Zero emission)。
传统的合成关心合成效率如：
* 选择性
反应的化学选择性（即：生成所需产物）
区域选择性（即：在特定的位置反应）
立体选择性（即：产物的立体结构）等
* 原子经济性
原料分子中有百分之几的原子转化成了产物
理想的原子经济性
该原料分子中的原子百分之百地转化为产物。不需要
附加，或仅仅需要无损耗的促进剂（催化剂）。
3、"原子经济性"
大力开发医药等精细化工产品 “原子经
济”反应，力争实现废物“零排放”
Barry Trost：原子经济性(Atom Economy)概念
A ＋ B C ＋ D
A ＋ B C ＋
产物 废物或副产物
废物
为零
工业部门 每吨产品排放的废物（吨/吨）
炼油 ~
大宗化学品 1~5
精细化工 5~20
制药 25~100
不同工业部门生产中的废物排放量
制药、精细化工——更需开发原子经济反应
第一步
第二步
第三步
第四步
第五步
第六步
布洛芬
Boots公司的
Brown方法
原子经济性
~40%
布洛芬—镇静、
止痛药的生产
第一步
第二步
第三步
BHC公司新
发明的绿色
方法
简单
多了！
原子经济性
~99%
(包括醋酸)
获1997年美国总统
“绿色化学挑战奖”
传统工艺
3-氯过苯甲酸氧化剂，原子经济性42%，产生3-氯苯甲酸废物
• 绿色工艺
负载锡的沸石催化剂，过氧化氢氧化剂，原子经济性86%，
副产物只有水
Baeyer-Villiger反应
——用于生产医药、塑料添加剂
O
+
Cl
O
O
OH O
O
+
Cl
OH
O
锡/沸石
医药、农药、功能化学品的研究
——绿色化学最活跃的前沿领域
• 大力研究原子经济反应和手性合成等
• 医药、农药等产品要引进多种官能团和调整
化学结构，生产往往经过多步反应，需要配
套开发技术，才能推向工业化
大宗有机化工产品的第二
代绿色生产技术正在开发
• 烃类氧化的“原子经济”反应正在改进
• 替代剧毒光气等原料的绿色技术，研究降低成本
• 开发新一代苯与烯烃烷基化无毒无害固体酸催化
剂
烃类氧化的“原子经济”
反应正在改进
20世纪80年代发明钛硅分子筛作为催化剂
采用H2O2为氧化剂
实现下列“原子经济”反应
– 丙烯环氧化制环氧丙烷
– 环己酮氨氧化制环己酮肟
– 苯酚氧化制对苯二酚
丙烯环氧化制环氧丙烷
次氯酸
石灰
废渣 污水
传统工艺—氯醇法：原子经济性=31%
绿色工艺—钛硅分子筛催化：原子经济性=76%
1- 氯丙醇 2- 氯丙醇
目前针对烃类催化氧化
的不足，又有了新进展
降低H2O2费用
• 原位H2、O2合成H2O2，与丙烯环氧化集成
• 新氧化剂—异丙苯过氧化物
新氧化催化材料
– Sn/沸石
– 有机氮络合Fe2+系催化剂
– 含钨的金属簇相转移催化剂
……
替代剧毒光气等原料的绿色技术
需要降低成本
1984年印度博帕尔光气泄漏事件
2000年罗马尼亚一家工厂的氰化物泄漏到多瑙
河支流事件
造成人身伤亡、生态环境严重破坏
需要开发绿色技术
替代光气制造异氰酸酯工艺
伯胺和二氧化碳或碳酸二甲酯反应
伯胺和一氧化碳进行氧化羰化
硝基苯和一氧化碳羰基化
正在小试、中试，比光气法生产
成本高10％，需要降低成本
甲基丙烯酸甲酯的生产工艺
传统工艺
绿色工艺
47%原子经济性
100%原子经济性投资、成本低
永恒的主题——设计、生产和使用环境友好产品
产品应该是环境友好的，否则即便是再绿色的
生产过程也没有意义。
例如：塑料即为环境极不友好的产品，塑料曾
被称为"白色革命"，但现在却被称为"白色污染"。
环境友好产品——在加工和应用过程中及功能
消失之后均不会对人类健康和生态环境产生危
害
4、 产品应是环境友好的
•在环境友好产品方面。从1996年美国总统绿色化
学挑战奖看，设计更安全他学品奖授予RohmHaas
公司。由于其开发成功一种环境友好的海洋生物
防垢剂。小企业奖授予Donlar公司。 因其开发了
两个高效工艺以生产热聚天冬氨酸，它是一种代
替丙烯酸的可生物降解产品。
•在环境友好机动车燃料方面，随着环境保护要求
的日益严格。1990年美国清洁空气法(修正案)规
定，逐步惟广使用新配方汽油，减小由汽车尾气
中的一氧化碳以及烃类引发的臭氧和光化学 烟雾
等对空气的污染。新配方汽油要求限制汽油的蒸
汽压、苯含量，还将逐步限制芳烃和烯烃含量。
• 此外。保护大气臭氧层的氟氯烃代用品已在开
始使用。防止“白色污染”的生物降解塑料也在
使用。
美国“总统绿色化学挑战奖”的
设计更安全化学品奖
1996年至2001年获奖项目
Rohm & Haas公司的Sea-NineTM海洋生物防垢剂
Albright & Wilson公司的低毒性、能快速降解的THPS杀
菌剂
Rohm & Haas公司对一类安全高效、具有选择性杀虫效
果的ConfirmTM杀虫剂家族的发明和应用
Dow AgroSciences LLC公司发明的新型天然杀虫剂产品
Spinosad
Dow AgroSciences公司的Sentricon白蚁巢穴杀灭系统
PPG公司的Enviro-Prime 2000无铅凃层
绿色化学品的设计：
功能与环境影响并重
转变观念——产品功能与环境影响并重，设计、研
制新产品时，一般要考虑下面因素：
• 物质的结构与活性的关系
• 避免采用毒性功能基团
• 生物吸收量最小化
• 使辅助的物质最小化
工农结合, 生产超清洁生物柴油
• 生物柴油的特点
– 减少汽车尾气中SOx和颗粒物排放
– 整个过程少排放CO2，减少温室效应
– 本身无毒、无害，能自行分解回归自然
– 具有一定的润滑性，从而延长机动车的寿命
– 燃烧热值稍低，倾点较高，影响低温启动
柴油是另一类重要的石油炼制产品。对环境友好柴
油。美国要求硫含量不大于%，芳烃含量不大于
20%，同时十六烷值不低于40; 为达到上述目的，一
是要有性能优异的深度加氢脱硫催化剂;二是要开发
低压的深度脱硫/芳烃饱和工艺。国外在这方面的研
究已有进展。
生物柴油的制造
• 植物油与甲醇（乙醇）酯交换制得
棉籽油、棕榈油、椰子油、菜籽油、野生植
物油以及海藻等
• 化学法
– 液碱催化
– 固体碱催化
– 二段催化
• 酶催化
生物柴油在国外已经销售使用
• 目前欧共体年产生物柴油70万吨，2003年规划达
到230万吨，2010年达到830万吨。
• 德国生物柴油的年产量已达40万吨，已有700多
个加油站销售生物柴油。
• 法国许多石油柴油中已调配有生物柴油，哥本哈
根、里斯本等欧洲城市的公共汽车已经使用生物
柴油
• 美国30万吨/年，日本40万吨/年生物柴油生产能
力
我国发展生物柴油的意义、
问题及对策
• 超清洁柴油
• 有利于增产柴油、调整柴汽比
• 减少原油进口，多一条运输能源安全保障的途径
• 多一条农林业增产、增收途径
• 关键是植物油成本高，难与石油柴油竞争
• 对策：
– 政府支持
– 与农业生产结合（农业加工工业）
– 种植低成本油料作物
– 改进工艺，利用副产品（甘油、润滑剂、清
洁溶剂等）降低成本
5、“闭路循环”之路
“闭路循环”回收的实例：从尼龙地毯中回收己
内酰胺
– Du Pont公司旧地毯送回工厂，从底层除去地
毯纤维，碾碎成尼龙细绒，再混合成型利用
– Allied Signal和DSM公司，化学反应除去聚丙
烯和衬里、填充物，再回收己内酰胺
从废泡沫塑料回收原料
—苯乙烯
采用高温高压熔融裂解工艺，已建一套废泡
沫塑料回收苯乙烯的工厂
规模1000 吨/年
从聚酯废料回收原料
—对苯二甲酸和乙二醇
采用糖化法，正建一套废聚酯瓶回收对苯二
甲酸和乙二醇的工厂
规模1万 吨/年
废塑料、纤维等材料的回收，
走上“闭路循环”之路的对
策
废塑料、纤维等的回收，关键是建立起垃圾的分
类回收系统
从易回收的废塑料入手，与销售部门联合回收电
冰箱、洗衣机、电视机等家电产品的聚苯乙烯塑
料，与饮料工厂合作，回收废聚酯瓶
组织多学科合作开发技术，包括引进个别新技术
绿色化学生产
１ 涂料工业
２ 制革工业引言
３ 造纸工业
４ 氯氟碳化合物
（CFCs）
５ 可降解塑料
绿色化学合成途径和合成技术
一些合成途径和技术体现了
绿色化学的思想，如：
电化学合成 是合成新药物
和其他有机物的有效手段
无机水热合成：条件温和，
污染少，可用于合成新型分子
筛和其他环境友好催化剂。
绿色化学化工：寻找充分
利用原材料和能源的在各个环
节中部净化和无污染的反应途
径和工艺。
涂料：应用于物体表面而能结成坚韧保护膜的物料的总
称，多数是含有或基本不含颜料的粘液。
1、涂料工业
涂料的功能：（1）防止物体表面受到气候腐蚀、化学腐蚀
以及日光照射而起变化；（2）防止或减少物体表面直接受
到摩擦和冲击；（3）增加物体表面美观。
挥发性有机物（VOC）：涂料中通常含有挥发性有机物
（VOC），VOC (Volatile Organic Compound)：包括碳氢化物，
有机化物，有机硫化物，碳基化合物，有机酸和有机过氧化物
等，在NOx存在下，还可导致光化学烟雾的产生和污染 。
有机溶剂及其它有机污染物在阳光作用下会产生许多光化学
反应（一般指大气中的原子，分子，自由基或离子由于吸收光
子而引起的反应）。污染范围大，使全球气候变暖，大气层氧
化容量和酸度变化（导致酸雨）VOC（挥发性有机化合物）会
产生直接毒害，同时还会产生光化学烟雾。
VOC的主要来源有交通和涂料的生产与使用（占20-25%）。
绿色涂料，亦称环境友好涂料，是指涂料在制造和施工过程
中没有有害物质的分解、挥发、排放或分解、挥发、排放的
有害物质在规定的工艺条件下能满足排放标准，不至于对人
类和大自然造成危害。因此，我们要发展对环境污染少，对
人体无害的涂料。
关键：开发低VOC的涂料。
A.高固含量溶剂型涂料
低固含量溶剂型涂料的固含量通常为30-50%，而高固
含量溶剂型涂料的固含量为65-85%。开发高固含量溶剂型
涂料可减少挥发性有机溶剂的使用，降低对人类和环境的
危害程度。
绿色涂料的尝试：
B.水基涂料
水基涂料以水作为溶剂，不会对环境产生污染。常见的水基
涂料有：
水分散型涂料，即以有机溶剂/水为溶剂。以水代替部分有机
溶剂，可以减少OC的危害。
乳胶型涂料，即涂料分子以乳胶形式分散于水中。这种涂料
VOC含量极低，甚至为零，目前以获得广泛应用。
水溶性高分子，即涂料高分子材料即为水溶性的，这样即可
完全采用水作为溶剂。但开发水溶性高分子材料，尤其是适
用于各类需求的涂料高分子材料具有一定难度，因此该类已
商品化的涂料较少。
粉末涂料，即不需要任何溶剂的涂料。其优点是理论上绝对
零VOC，然而在应用中却遇到困难，如：工艺复杂、涂层较
厚、配色性差、不规则物体涂布效果差等。
引言：制革工业是我国重要工业部门之一，年产量高。
每年年产猪皮革约八千多万张，牛皮革三千多万张，羊
皮革五千多万张。年出口创汇八十多亿美元，在国际皮
革业，尤其是中低档皮革业中占有重要地位。
2、制革工业
制革工业污染的来源：
制革工业污染严重，主要污染来源为：除去原料皮上的废
料（占污染源70-80%，通常1吨原料皮只能生产200千克皮革），
制革过程中所用的化工原料（如：盐腌、酸浸、鞣制（铬鞣）
等过程中都会带来很大污染。
我国制革工业污染严重：
我国制革业污染严重。具不完全统计，我国制革业每年产
生3500吨含铬废物、5000吨含硫废物及12吨悬浮物污染。我国
许多地区被制革废物严重污染
鞣制原理及改进：
鞣剂主要与胶原结合。常见的鞣剂为含铬化合物，
含铬化合物与胶原的活性基作用时，铬以正价与胶原
的羧基作用，以负价与胶原的氨基作用。这样使皮革
蛋白发生恰到好处的变性，成为熟皮。熟皮不会霉变，
而且有很好的质感。
铬鞣剂是目前发现的最好的鞣剂，其鞣革性优越。
然而铬鞣剂毒性大，由此产生的制革工业废物对环境
具有很大的危害，因此人们致力于改善鞣革剂。例如：
采用金属络合物以及开发高吸收铬鞣剂。
鞣剂的污染：
制革业污染严重，其中危害最大的是鞣剂的污染。
常用的鞣剂有无机鞣剂和有机鞣剂，这些鞣剂通常都含
铬、铝、铁、锆、钛、硅等元素。
3、造纸工业
造纸用植物主要组成为木素和纤维素。木
素是由若干苯丙烷单元构成的高分子聚合物，
纤维素是用于造纸的部分。造纸过程中需将
纤维素与木素分离，将所得原料漂白后才可
用于形成纸张。
造纸工业的主要污染 ：
造纸工业的主要污染为有害废液，占全国
废水排放量1/6。
造纸过程最易产生污染的阶段通常包括：
煮浆（碱煮时的废水）、漂白（含氯漂白物）
、制浆（中段废水）等，其中含氯废水是最
为严重的污染物。
造纸用植物主要组成：
（1） 改革漂白技术
通过改革漂白技术，可以减少含氯废水的污染。现在比
较通用的是采用少氯漂白技术，如：以ClO2替代Cl2；或采用
无氯漂白技术，如：采用氧，过氧化氢，臭氧等进行漂白。
（2） 改革制浆技术
改革制浆技术也是减少造纸废水的重要环节。如采用机械
法制浆，利用废纸制浆及生化制浆（采用适当的微生物来制浆）
等。
利用废纸制浆是尤其值得提倡的方法。许多发达国家废纸回收率已达
到很高水平。例如：1997年法国废纸用量占纸浆总消耗量的%，德国为
59%，荷兰为71%，瑞士为%，英国为%。而我国1998年造纸工业
废纸用量占纸浆总消耗量却为38%。到2005年，我国拟将废纸用量占纸浆
总消耗量的比例提高到45%。废纸的再回收和在利用关键在于应大力提倡
废纸回收，同时作为普通消费者，应正确对待再生纸。作为普通书写用品，
再生纸完全具备了其必须的功能，且制造过程对环境的影响小，是一种绿
色产品。在发达国家，人们以使用再生纸为荣，这在高等学府中表现尤为
突出。我国目前也在大力推广使用再生纸，作为受过良好教育的年轻人应
主动参与到这个行动中。
4、氯氟碳化合物（CFCs）
氯氟碳化合物（简称：CFCs），是一种含氯、氟和碳等元
素的化合物，如制冷剂氟里昂等。CFCs于1930年被发现，
它具有化学稳定性好、不燃、无腐蚀性、毒性低、热力学
和电化学性能优良等优点，作为致冷剂、灭火剂、泡沫塑
料的发泡剂、电子元件的清洗剂、气溶胶喷射剂等被应用
于各领域。
在CFCs被发现的早期，人们在实验
室中进行了大量实验，未发现该类
物质对环境有很大影响。然而，在
广泛使用并向环境释放时，才发现
CFCs的使用从某种程度上讲，就象
是打开了潘多拉的魔盒。
引言：塑料曾被称为"白色革命"，然而时过境迁，在当今的媒体
上常将塑料称为"白色污染"。
塑料被广泛地应用于制作垃圾袋、购物袋、一次性包装袋、
餐具等，由于人们的不恰当处置和塑料的特殊性质，如长期不分
解、占地面积大、焚烧处理产生有害气体等，导致废塑料产生极
大污染：破坏景观、影响农作物及海洋生物生长、危及野生动物
生命等。塑料不易降解：
塑料是一种高分子材料，常见的高分子的结构为：
其主要分子骨架为C－C键，从下表的键能数据可以看出，组
成塑料骨架的C－C键很难断裂：
键能-——在特定条件下断开化学键所需的能量 ：
5、可降解塑料
C-C 331 kJ/mol（很大） C-Cl 327 kJ/mol
C-Br 276 kJ/mol C-I 239 kJ/mol
C-S 289 kJ/mol C-N 293 kJ/mol
C-P 264 kJ/mol
可降解塑料主要有光降解塑料和生物降解塑料。
光降解塑料是在光照下可自行分解的塑料，其光解期可控
制在约60－600天。生物降解塑料主要有完全生物降解塑料和
生物崩坏性塑料。完全生物降解塑料以淀粉为主 要原料，加
入一年生长期植物纤维粉和特殊的添加剂制成。淀粉是一种可
生物降解天然高分子，在徽生物的作用下会分解为葡萄糖，最
后分解为水和二氧化碳，对环境没有任何污染。研究发现采用
该法制成的生物降解塑料堆肥状态下五天开始发霉，十天时所
测样品与堆肥融为一体，样品失去测试前的形状和颜色，四十
天即全部变成水和二氧化碳。此类塑料原料来源广泛（玉米、
土豆、红薯、木薯等）并且价格低廉（生物全降解快餐盒每个
成本仅为元）。生产过程也无任何污染；添加剂采用
的是无毒无害的可食用生物胶，因而该产品在使用后还可以进
一步开发作为饲料利用，具有再资源化功效。
生物崩坏性塑料是在普通塑料中加入生物降解材料，如光
敏剂、淀粉等原料，该塑料制品在使用完，并废弃在大自然中
暴露三个月后，可由完整的形状分解成碎片
可降解塑料
植物纤维粉加胺热压技术以植物纤维，例如秸
秆、稻草、甘蔗渣等经过破碎得到纤维粉，然后混
入大量的胶或树脂，再注入到模具中加高压及高温
下成型。
以纸代塑技术以纸代塑技术即采用纸浆为原料，
在模具中成型、烘干生产一次性餐具。
塑料的替代物
清洁生产
绿色化学及绿色化工生产要求清洁生产。
清洁生产是指既可满足人们的需要，又可合理使用
自然资源和能源，并保护环境的生产方法和措施，其实
质是一种物料和能源消费最小的人类活动的规划和管理，
将废物减量化、资源化和无害化，或消灭于生产过程之
中。
清洁生产是一种新的创造性的思想。该思想将整体
预防的战略持续应用于生产过程、产品和服务中，以增
加生态效益和减少人类及环境的风险。即变"被动反应"
为"主动反应"。
