新理念---绿色分析化学

1. 2.
分析化学同其它化学领域一样,也是污染排放源

据统计,在化学分析的过程中所使用和产生的 化学试剂废弃物中,易燃和腐蚀性物质占55 % , 有毒物质占42 % ,其余3 %为具有反应活性的物 质 3. 分析化学本身活动也能对环境造成污染而且 分析工作者的安全问题也应值得人们的重视
30-40nmTiO2对400nm以 下紫外线有极强吸收能力
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光催化基本原理： 在紫外光照射下，使纳米TiO2粒子价带中 的电子跃升至传导带，而价带中的空穴可将周 围环境中的烃类、水、氧气电子夺过来形成 •OH，使水中有机污染物氧化分解为CO2。
(1)降解速度快 (2)降解无选择性
技术优势：
(3)氧化反应条件温和 (4)无二次污染 (5)应用范围广 9
（4）计算机、化学计量学及化学信息学的发展及在分析化 学中的应用 现代IT技术的高速发展极大地促进了化学计量学和化 学信息学的发展，极大地提高了分析化学的分析速度、分 析能力和研究水平。 如计算机、计算化学与分析化学交叉的化学计量学近 年来蓬勃发展，它可以优化处理分析数据，大幅度提高分 析化学的精确度，同时也成为复杂体系解析的重要工具， 在环境分析化学这一开放、复杂的体系中得到迅速应用， 如用化学计量学研究环境化学中污染源识别等问题，被称 之为环境计量学（Environmetrics），为可持续发展做出重 要贡献。
为什么要发展绿色分析化学？

从环境保护的要求出发：
环境保护要求从“先污染、后治理”改变为“从源头上根除 污染”。这种环境保护观念的转变,使分析化学在环境科学中 的作用也需随之发生变化,成为了从源头上根除污染的分析化 学,即绿色分析化学

从分析化学本身发展的要求出发：
分析化学同化学的其他领域一样,也是污染排放源，据统计, 在化学分析的过程中所使用和产生的化学试剂废弃物中,易燃 和腐蚀性物质占55%,有毒物质占42%,其余3%为具有反应活 性的物质。可见，分析化学本身也对环境造成污染。就其本 身而言也需要发展成为绿色分析化学
未来的发展可能主要体现在以下方面： （1）高效采样、预富集、分离方法的研究 环境样品组成复杂，待测化学物质含量低，当待测物 浓度低于分析方法的检出限以及干扰很大的情况下，直接 测定是不可能的，需要采用预富集、分离的方法。传统的 预富集、分离方法，如离子交换、共沉淀、溶剂萃取等方 法具有操作过程长，分离效率不高，手续繁琐等缺点。因 此，改进传统的、建立高效的预富集、分离方法仍是环境 分析化学活跃的研究领域。 如以半透膜采样装置（SPMDs和SPME）为主要代表 的被动采样技术将会越来越多地使用。
光催化的技术特征

（1）低温深度反应： 光催化氧化可在室温下将水、空气和土壤中有机污 染物完全氧化成无毒无害的物质。而传统的高温焚 烧技术则需要在极高的温度下才可将污染物中的有机污染物，完全氧化成无毒无 害的物质，不留任何二次污染，目前广泛采用的活 性炭吸附法不分解污染物，只是将污染源转移。 （3）绿色能源： 光催化可利用太阳光作为能源来活化光催化剂，驱 动氧化—还原反应，而且光催化剂在反应过程中并 不消耗。从能源角度而言，这一特征使光催化技术 更具魅力。
① 分析系统微型化,使得试剂和载流耗量大大 减少 ② 对于那些需测试大量样品的系统分析,应充 分利用数理统计理论和化学计量学,优化采样点 的数目,采取合理的实验方案,减少样品的数目,从 而减少分析测量的次数和化学试剂的用量,达到 减少有害物质的使用和产生的目的;




③利用试剂固定化技术,使那些非消耗性或微消 耗性试剂能够重复多次试用 2.取消有害物质的使用和产生
光 触 媒
光触媒[PHOTOCATALYSIS] 是 光 [Photo=Light] + 触媒(催化剂)[catalyst] 的合成词。光触媒是一种在光的照射下，自身不起变化，却 可以促进化学反应的物质，光触媒是利用自然界存在的光能 转换成为化学反应所需的能量，来产生催化作用，使周围之 氧气及水分子激发成极具氧化力的 OH - 及 O 2 - 自由负 离子。几乎可分解所有对人体和环境有害的有机物质及部分 无机物质，不仅能加速反应，亦能运用自然界的定侓，不造 成资源浪费与附加污染形成。


光触媒于1967年被当时还是东京大学研究生 的藤岛昭教授发现。 在一次试验中对放入水中的 氧化钛单结晶进行了光线照射，结果 发现水被分 解成了氧和氢。这一效果作为 “ 本多 ·藤岛效 果 ” （Honda-Fujishima Effect）而闻名于世， 该名称组合了藤岛教授 和当时他的指导教师---东京工艺大学校长本多健一的名字。 由于是借助光的力量促进氧化分解反应，因 此后来将这一现象中的氧化钛称作光触媒。 这种 现象相当于将光能转变为化学能。

（4）氧化性强： 大量研究表明，半导体光催化具有氧化性强的特点， 对臭氧难以氧化的某些有机物如三氯甲烷、四氯化炭、 六氯苯、都能有效地加以分解，所以对难以降解的有 机物具有特别意义，光催化的有效氧化剂是羟基自由 基（HO），HO的氧化性高于常见的臭氧、双氧水、高 锰酸钾、次氯酸等。 （5）广谱性： 光催化对从烃到羧酸的种类众多有机物都有效，美国 环保署公布的九大类114种污染物均被证实可通过光 催化得到治理，即使对原子有机物如卤代烃、染料、 含氮有机物、有机磷杀虫剂也有很好的去除效果，一 般经过持续反应可达到完全净化。 （6）寿命长： 理论上，催化剂的寿命是无限长的。
什么是光催化?

概括说来，就是光触媒在外界可见光的作用下 发生催化作用。 光催化一般是多种相态之间的催化反应。 光触媒在光照条件（可以是不同波长的光照） 下所起到催化作用的化学反应，统称为光反应。


光合作用也可以看作光催化
纳米TiO2光催化原理
TiO2+h →e-+h+ e-+O2→O2h++H2O→•OH+H+
几种常用的光触媒
TiO2、 CdS 、 WO3 、ZnO、ZnS、Fe2O3、SnO2等 纳米光触媒：CdS,Fe2O3,TiO2,ZnO等 TiO2的优点： 催化活性高、化学性质稳定、成本低、无毒 因此被广泛应用
光催化技术应用领域
目前常用的处理废水的方法

物理处理法——处理程度不高，通常用于预处理 化学处理法——药品用量大，成本高；可能造成二次
绿色分析化学与 光催化技术
揭永文 2008.秋
分析化学的前沿研究方向
1.高通量分析 即在单位时间内可分析测试大量的样品 如:生物芯片 2.极端条件分析 ห้องสมุดไป่ตู้中单分子单细胞分析与操纵为目前热门的课题 3.在线、实时、现场或原位分析 即从样品采集到数据输出，实现快速的或一条龙 的分析
4.联用技术 即将两种(或两种以上)分析技术联接，互相液 相色谱/电喷雾离子化质谱法 如:液相色谱/电喷雾离子化质谱法
什么是绿色化学？

绿色化学：又称清洁化学、环境友好化学、环境无害化学 目的：用化学的技术和方法去减少或消灭那些对人类健康、
生态环境有害的原料、溶剂和试剂、产物、副产物等的使 用和生产


理想：不再使用有毒、有害物质,不再产生废物,不再处理
废物
因此，绿色化学是一门从源头上阻止污染物的化学
什么是绿色分析化学？
污染


生物处理法——成本低、耗时长，对可生化性差的有
机物效果不理想
高级氧化技术—光催化氧化法
催化剂, 氧化剂 光照 CO2 、H2O 、 NO3-、PO43等、低分子中间产物
有机物
特点：产生大量氧化能力很强的 •OH 进行有效的降解甚至矿化； 反应条件温和、操作简便；
，对有机物
作为生物技术的前处理，可大大提高废水的 可生化性
（6）提出新原理，发展新方法、新技术
如：激光腔内共振衰减吸收技术（Cavity Ringdown Laser Absorption Spectrocopy），是最近几年发展的一种新 型光谱技术，具有灵敏度高、信噪比好的优点，已成功地 用于多种弱吸收体系光谱研究或用于气体样品的微量分析； 便携式色谱在现场环境分析中的应用。 毛细管电泳、毛细管免疫测定法、超微电极相结合可 使检出限降至10 - 18mg/ L ，故已有望监测出单分子、原子。 大量微型化、高灵敏度传感器因符合环境分析化学的 发展需要, 更是应运而生。如生物传感器、电化学传感器、 表面声波传感器、光—电—化学合为一体的传感器。新技 术涉及电子微观谱学、微观分析、胶体化学、界面化学技 术, 充分反映了学科交叉的发展趋势。目前应用已较为成熟 的还有光导纤维传感器、多孔硅传感器、电流微传感器。
★有机金属化合物的形态分析由于其方法学方面的难 度和实际应用的需求而继续成为研究的热点
★由于恐怖主义的潜在威胁，人们意识到生化和化学 战剂被释放到空中和饮用水中的危险性，有关生化和化学 战剂的监测方法研究将会受到应有的重视。 ★而由于SARS等新的传染病的出现，环境分析化学 将在传染病与环境的相互关系研究中发挥重要作用。



1.绿色化学的研究主要是围绕化学反应、原料、 催化剂、溶剂和产品的绿色化开展的 2.核心问题 ①选择绿色的起始原料和试剂 ②选择绿色的溶剂、反映条件和催化剂 ③ 设计绿色的产品、目标分子和安全化学品

发展绿色分析化学主要集中在减少和取消有害 物质的使用和产生 1.减少有害物质的使用和产生
在环境污染物的分离富集方面，压力液体萃取、超 （亚）临界流体萃取分离等将在固体环境样品的前处理领 域发挥越来越重要的作用。
（2）分析监测技术的连续自动化
由于环境体系的开放性、多变性，化学污染具有时、空分布的特 点。如在大气污染分析中，在不同的时间，不同的气象条件下，同一 污染源对同一地点造成的污染物的地面浓度相差甚远，在不同地理位 置上污染物的浓度分布也不同。为了满足测定污染物随时空变化的情 况，以及重点污染物的随时监控需要，需要自动连续的分析监测系统。 （3）各种方法和仪器的联用 各种方法和仪器，均有自己的优势和不足之处，将不同的仪器、方 法联用，取长补短，有效的发挥各种技术的特长，可解决重大的，复 杂的环境分析问题（如复杂体系中超痕量元素分析、形态分析等）。 如：HPLC-ICP联用，用于分析环境样品中痕量有机金属化合物； GC-CVAAS联用，用于分离、检测不同形态的有机汞；HPLC-ICP-MS 联用，用于生物组织、食品中痕量元素的形态分析。随着LC-MS联用 技术的进一步成熟，LC 将得到更加广泛的应用。核磁共振（NMR） 和磁共振将被更多地利用于研究分析物与环境基体间的相互作用。