第三篇化学实验论文范文：
题目：实验化学中的原子经济性探讨
[摘 要]针对化学实验试剂用量大、环境污染大等问题，本文从合成路线和工艺路线两个方面以原子经济性角度对合成路线原料、单元反应的选择，到工艺路线原料的原料预处理、反应条件、合成技术、完成方法的选择进行探讨，为实现原子经济性目标提供参考。
[关键词]原子经济性；合成路线；工艺路线
化学反应往往伴随着废水、废气、废固的排放，怎样减少三废的排放是当今社会关注的重要问题，也是化学工作者研究的热点。
1991 年美国的 B.M.Trost 首次提出了化学反应的原子经济性的概念。原子经济性可以用原子利用率来衡量。原子经济反应是原子经济性的现实体现。理想的原子经济性的反应应该是原料分子中的原子百分之百地转变成产物，不需要附加，或仅仅需要无损耗的促进剂，即催化剂，达到零排放(zeroemission)。这就涉及到 3 个概念：转化率、选择性和理论收率，这三者的关系：理论收率(Y)=转化率(X)×选择性(S)理想的绿色化学要求转化率、选择性、理论收率都达到100 %，在现实中能够达到这一标准的化学反应很少，这就给化学工作者提出了新的挑战。
化学反应的合成路线包括许多因素，概括起来可以归纳为使用什么原料、经过哪几步单元反应来制备目的产物(精细化工工艺学宋启煌化学工业出版社)；工艺路线是指生产准备过程、化学反应过程、产品后处理过程，其中关键的环节是反应条件(pH、T、P 等)、合成技术(非均相催化、酶催化、光有机合成、电解有机合成、均相络合催化等)、完成反应的方法(间歇操作、连续操作、反应器的选择和设计等)、后处理过程(未反应物循环利用返回反应过程或加工成副产物、)。下面就从合成路线和工艺路线两个方面就化学中的原子经济性理论及实例进行探讨。
1、合成路线
合成路线是化工设计的基础，是一个国家科研实力的体现，它往往凝聚了科学实验人员大量的基础性研究成果。环氧丙烷是重要的化工原料，下面以环氧丙烷合成路线为例分析原子经济性的对策。
1.1、环氧丙烷合成路线分析
传统路线：环氧丙烷氯醇法工艺是 20 世纪 30 年代由美国联合碳化合物公司开发并进行工业生产，该工艺是由丙烯和氯气、水在常压和 60 ℃下经次氯酸化生成氯丙醇，再经皂化、凝缩、精馏完成。每生产 1 t 环氧丙烷需消耗氯气 1.35~1.89 t，产生大量废水和废渣，每生产 1 t 环氧丙烷产生 40~50 t 含氯化物的皂化废水和 2 t 以上的废渣，该废水具有温度高、pH 值高、氯根含量高、COD 含量高和悬浮物含量高的“五高”特点，难以处理。产该方法原料利用率低，而且氯气剧毒，腐蚀性强，价格贵，从绿色化学角度是属于淘汰之列，但由于技术成熟，有些企业仍在使用。
乙苯路线：以乙苯和丙烯为原料，先是乙苯经氧化成氢过氧化乙苯，再以环烷酸钼等催化丙烯进行环氧化，其优点是产生的“三废”少，避免了剧毒，腐蚀性强，价格贵的氯气。电化学氧化路线：其原理是使电解水产生的活性氧原子吸附于特殊的电解阳极表面，与通入阳极室并吸附于阳极表面的丙烯反应生成 PO。生物酶催化氧化路线：是以酶或微生物作为生物催化剂的催化氧化技术，酶是提供另一条活化能需求较低的途径，使更多反应粒子能拥有不少于活化能的动能，从而加快反应速率，大多数的酶可以将其催化的反应之速率提高上百万倍，而且反应条件温和，选择性高，是目前最受欢迎的清洁生产技术之一。
氧气直接氧化路线：美国 Lyondell 公司正在开发将丙烯、氢气、氧气转化为环氧丙烷的直接氧化技术，使用 1 种由钯和钛的硅酸盐组成的双功能催化剂，用氢和氧产生过氧化氢后立即将丙烯转化为环氧丙烷，整个工艺过程在 1 台反应器内完成。该公司在美国建有 1 套实验装置，以进一步将此工艺推向工业化。
环氧丙烷合成路线多少反应了化学工业的现状，传统方法落后，污染大，经济成本和环境成本高昂，新的合成路线大多还处于实验室阶段、中试阶段，有些进行了小规模工业生产，但由于路线复杂、催化剂、设备不稳定等因素，难于保证产品质量，甚至某些情况下还会产生未知的风险，加上初期投资成本往往较高，使得其工业化推广存在一定难度，这需要国家、地方、科研院所、企业共同努力，加大对新技术、新工艺的投入来解决这些问题。
1.2、聚对苯二甲酸乙二醇酯的合成路线分析
聚对苯二甲酸乙二醇酯的合成：一是 DMT 法，由对苯二甲酸二甲酯(DMT)与乙二醇进行酯交换；二是 PTA 法，由对苯二甲酸(PTA)与乙二醇(EG)直接酯化合成；三是环氧乙烷法，由对苯二甲酸与环氧乙烷(EO)直接酯化。路线三没有副产物，后处理简单，但由于环氧乙烷易燃、易爆、有毒等缺点，应用较少。
路线一早期应用较多，这是由于 PTA 提纯问题无法解决，在常用的溶剂中不易溶，难以重结晶提纯，用精馏法受热时又有升华和脱羧的现象发生。因此，工业上一般先使对苯二甲酸甲酯化，得到对苯二甲酸二甲酯(DMT)，然后和乙二醇(EG)通过酯交换和缩聚的方法来制备 PET，由于使用了甲醇，使得后续工艺复杂化，甲醇也具有易燃、有毒等缺陷，由此产生的一系列环境、安全问题也成为企业的负担。
路线二在对二甲苯的空气氧化工艺开发出来以后，解决了高纯度的对苯二甲酸的工艺难题，使得直接酯化法迅速发展，成为PET 的一种重要合成方式，由于没有使用甲醇，路线二也更符合原子经济性：
2、工艺路线
工艺路线是合成路线的具体、细化，工艺路线往往体现一个国家化学工业的整体实力，以下从反应条件(pH、T、P 等)、合成技术(非均相催化、酶催化、光有机合成、电解有机合 成、均相络合催化等)、完成反应的方法(间歇操作、连续操作、反应器的选择和设计等)、后处理过程等方面对工艺路线的原子经济性进行探讨。
2.1、反应条件
以烷基苯磺酸钠表面活性剂石蜡裂解合成路线中投料比为例，在高温裂解条件石蜡分子中的 C-C 键断裂，得到低沸点烃类的，分离得到十二烯烃，再与苯烷基化得到十二烷基苯，烷基化按化学计量比来说，长链烯烃与苯应该是 1∶1，但按这个比例生成的产品会含有大量二、三取代烷基苯，选择性差，而且分离困难，使得最终产品有效成分含量低，所以一般长链烯烃与苯应该是 1∶4-10，虽然这样会有转化率低的缺陷，但这样可以大大提高目的产物单烷基苯的选择性和收率。
此外，在烷基苯的磺化阶段磺化试剂的选择也能体现原子经济性：浓硫酸或发烟硫酸磺化技术成熟，缺点是副产物水会逐渐稀释硫酸从而产生废酸，后续处理麻烦；氯磺酸磺化转化率高，但氯磺酸成本高，而且副产物 HCl 比较难以处理，直接排放又会造成污染，只适合于实验室研究使用；最好的选择是三氧化硫磺化，优点是磺化时不生成水，反应快、废液少，三氧化硫用量可接近理论量，理论收率接近 100 %，符合原子经济性，。但三氧化硫过于活泼，在磺化时易于生成砜类等副产物，因此常常要用空气或溶剂稀释使用，在降膜式反应装置开发成功以后才逐渐实现工业化生产。
2.2、合成技术
合成技术包括非均相催化、酶催化、光有机合成、电解有机合成、均相络合催化等，新型催化剂的开发使用往往意味着对原有工艺的巨大变化。
例如早期工业上聚丙烯合成采用自由基连锁聚合，产物无规聚丙烯的立构中心 D 型和 L 型无规则地连接，支链甲基无规则地分布在主链平面两侧，分子量小，一般为 3000 至几万，结构不规整，缺乏内聚力，在室温下是非结晶、微带粒性的蜡状固体，性能很差，老化严重；而现在采用齐格勒-纳塔催化剂，产物是分子链节排列得很规整的结晶形等规聚合物，老化时间大大延长，强度韧性大大提高。
再比如苯的烷基化反应，传统使用的酸性催化剂是 AlCl3、H2SO4、HF 等，这些催化剂以分子形态参与化学反应，因此在较低的温度下就有相当高的催化活性，但使用这类催化剂时存在一系列问题，如产生大量的废液废渣、设备腐蚀严重及催化剂与原料和产物不易分离、在工艺上难以实现连续生产等缺点，AlCl3也存在强腐蚀性和同产品分离繁琐等缺陷，现在正在开发的固体酸，有容易与反应物分离，可重复使用，不腐蚀反应器，催化剂有良好的选择性等优点，逐步进入工业化阶段以取代传统酸性催化剂。
2.3、完成反应的方法
完成反应的方法间歇操作、连续操作、反应器的选择和设计等，是提高工业生产的原子经济性的重要途径。连续操作与间歇操作相比具有比较容易实现高度自动控制、产品质量稳定、反应时间短、节能等优点，而且依靠物料本身的循环作为移热剂，反应热可以及时导出，并且使反应物的浓度相对降低，可以有效防止副反应，对于像本体聚合这样散热困难，爆聚危险大的反应具有很好的效果。当然，对于本体聚合，为了提高生产能力，提高产品质量，反应器的设计配套也是必不可少的。
比如，高压聚乙烯气相本体聚合的两种方法：
釜式法：大都采用有机过氧化物为引发剂，反应压力较管式法低，物料停留时间长。
管式法：引发剂是氧或过氧化物，反应器是细长的高压管，物料在管内呈活塞式流动，反应温度沿管程变化。
反应釜结构复杂，聚合物粘度大，搅拌困难，设备维护工作量大，管式则易堵塞，在工艺设计中需要根据产量、产品质量标准及投资运行能力选择合适的聚合方法。
2.4、后处理过程
未反应单体和溶剂一般是需要的回收与精制的，副产物也需要分离提纯，因为有些副产物本身是是有用的化工原料。
例如氯碱化工产业，合成路线：2NaCl+2H2O=2NaOH+Cl2↑+H2↑阴极区的产物湿氢气，不容易储存利用，有些企业把他作为燃料的，也有直接放空的，造成较大的浪费，在这方面还有很多文章可做，比如可以做氯化氢，或制作加氢产品，像农药中间体、染料中间体等等，都可以提高经济效益，也更符合原子经济性原则。
再比如硅烷偶联剂企业四氯氢硅合成单元，生产一段时间后会在反应釜底形成灰渣需要排放，其中含有未完全反应的原料硅粉及其它副产物，这些灰渣极易燃烧，遇水都能反应燃烧，现有技术还很难处理，只能用大量水吸收，脱水固化，至于资源化利用现在还停留在实验室研究阶段。
3、结论
要实现化学工业的原子经济性，在合成路线、工艺路线设计方面有很多工作要做，从合成路线原料、单元反应的选择，到工艺路线原料的预处理、反应条件、合成技术、完成方法的选择，都需要做大量的查阅文献、实验室研究、小试、中试实验工作。当今化学工业距离绿色化学还相当遥远，以至于化学工业成了高污染高危险的代名词，地方政府不愿意接纳化工企业，毕业生不愿意在化工企业就业，发展绿色化学，实现原子经济性目标是化学从业者的使命，也是我国化学工业走向世界前列的必由之路。
参考文献
[1]何卫东．高分子化学实验[M]．中国科技大学出版社，2003：56-77．
[2]麻生明，魏廷芳．原子经济性反应[M]．中国石化出版社，2006：38-51．
