Transcript 綠色化學 Green Chemistry 替代性原料 提升製程效率

綠色化學
替代性原料
提升製程效率
無毒性/低毒性
替代性溶劑
Green Chemistry
H2O
新觸媒
生物程序
更有效率
生物觸媒
替代性產品
替代合成途徑: 觸媒範例之一
•乙烯之觸媒生產: 舊製程為將乙烷蒸汽裂解(steam
cracking)得到，需要高溫800oC，耗能源且會產生空
氣污染物 (CO2, NOx etc) C2H6 + H2O  C2H4 + H2
•新製程: 自動加熱觸媒氧化脫氫(catalytic autothermal
oxydehydrogenation CAO)，概念為: 通入少許氧氣，
使反應為放熱提供脫氫用途。優點: 完全去除NOx,
CO2排放量減低十倍以上，十分環保。C2H6 + O2 
C2H4 + H2O
觸媒範例之二
•甲烷變甲醇: 舊製程為兩步驟，及新進行甲烷蒸汽重
組(steam reforming) CH4 + H2O  CO + 3 H2; 然後再合
成甲醇 CO + 2 H2  CH3OH。缺點: 耗能源，排放二
氧化碳
•新製程 (研發中): 改為均相觸媒(Pt complex in H2O or
CO2)，在低溫下直接將甲烷轉化為甲醇。可以直接在
產地進行，避免浪費，大量減少二氧化碳排放。2 CH4
+ O2  2 CH3OH
替代程序範例之三
 Syngas: 為重要石化原料, 用於methanol 合成; or
Fischer-Tropsch process
傳統上來自 steam reforming of methane CH4 +
H2O  CO + 3 H2 ∆H = 206 kJ/mol (298oK) …
capital and energy intensive process
 可能替代方案: partial oxidation (dry process) of
methane CH4 + ½ O2  CO + 2H2 ∆H = - 36 kJ/mol
變為放熱反應; 但氧氣來自cryogenic process
 另一替代: 使用membrane reactor  將O2自空氣
中分離純化出來, 並搭配陶瓷觸媒 ..(研發中)
使用生物觸媒範例
•優點: 低溫，常壓，高選擇率，低污染副產物，重要
研發項目
•例如將phenol轉化為polyphenol (phenol polymer)，此
一產物產值超過 30億美元，主要用於合成熱固性樹脂，
其用途甚廣，例如複合材料，黏著劑，電子材料用品，
塗佈材料等等。目前主要產品Novalac必須使用毒性物
質: 甲醛HCHO，改用生物觸媒則不必使用此毒性物質，
故為清潔製程。
生物觸媒範例之二
•Glucose  1,3 propanediol (1,3 PDO): PDO是生產PTT, PU
的重要中間原料。新方法為使用玉米為原料，經生物觸
媒水解得到葡萄糖，然後，再進一步得到甘油，在轉化
為PDO。
•玉米  乳酸lactic acid (生物分解性塑膠成分 polylactide)，
降低成本為關鍵，生物程序經製程改善後(酵素，分離純
化)，具有競爭力。
取自化工
技術, 9(12),
133, 2001
使用再生資源
•Renewable resources: 地熱、太陽能、風力、以及生質
能(biomass)，其中以生質能最重要，利用生質能製造
化學品，將有機會取代石油成為重要原料。
•生質能主要成分包括: 碳水化合物(50-75%)，木質素
(<25%)，以及少量extractives (<5%)。其中碳水化合物，
可以水解得到5 or 6 碳化合物，為重要中間體。
•琥珀酸succinic acid: 舊製程使用正丁烷為原料，先氧
化成馬林酐，再氫化，及水解得到。此化合物為生物
分解塑膠重要成分之一。新製程為使用玉米發酵，配
合分離純化技術而得到合理價格的琥珀酸。
替代反應條件
•使用水為溶劑，替代有機溶劑。
•乳酸乙酯 ethyl lactate 為極佳之溶劑，可以取代CFC，
目前推廣瓶頸仍然為分離純化技術製程部分。
•傳統製造PC polycarbonate需要使用光氣(phosgene)，新
製程改用甲醇為原料，配合銅觸媒，先得到dimethyl
carbonate，再得到diphenly carbonate，最後得到PC產物。
採用無毒無害溶劑
•主要就是水, 超臨界流體, 以及離子溶液, 替代有機溶劑
• 超臨界流體的優點: 黏度接近氣體, 所以擴散係數比液
體大大約100倍, 得到高的質傳效果, 用於萃取, 清洗, 溶
解, 染色, 溶膠, 氣凝膠, 結晶以及反應溶劑等方面; 尤其
臨界二氧化碳, 更具有臨界壓力及溫度適中, 來源充裕,
價廉無毒等優點.
•範例: (a) 甲基丙烯酸的聚合, 在臨界流體中優於在有機
鹵化物溶劑; (b) 替代氟氯烷成為聚苯乙烯的發泡劑; (c)
聚酯纖維的超臨界染色; 等等
使用替代性原料
 PC: 重要工業材料, 透明, 熱安定, impact
resistance等優點
 傳統製程: 使用光氣, 及有機溶劑(CH2Cl2), 對環
境不友善
替代性製程之開發案例
傳統製程缺點:
toxic phosgene;
使用大量有機溶
劑
產品受Cl污染
Source: ACS 626,
20-32, 1996
本法(Melt process)
缺點:
黏度高, 需使用貴
反應器
Phenol不容易去除,
分子量不容易上去
反應溫度高(280310oC), 時間長, 產物
容易有顏色
Asashi process: solid
state polymerization
成功案例
(有些語焉不詳)