浅谈绿色化学

来源:用户上传      作者: 王　猛

　　摘要： 本文先谈了绿色化学的产生，继而介绍了绿色化学的概念及其由来和涵义，并说明了绿色化学的原理和原则及对其的解释，阐述了绿色化学与可持续发展这一人类共同关注的重大问题的密切关系，从而说明了绿色化学的重要作用，最后介绍了绿色化学的发展方向和未来展望。
　　关键词： 绿色化学概念 绿色化学原则 绿色化学的发展方向及重要性
　　
　　一、引言
　　
　　世界化学化工产品已达到7万种之多，化工总产值约1万亿美元（中国约5000亿人民币）。化学品极大地丰富了人类的物质生活，提高了生活质量，并在控制疾病、延长寿命，增加农作物品种和产量，帮助食物的储存和防腐等方面起到了重要作用。在我们的衣食住行及战胜疾病等很多方面，化工科技的进步，为人类带来了巨大的益处。药品的发展有助于治愈不少疾病，延长人类的寿命；聚合物科技创造新的制衣和建造材料；农药化肥的发展，控制了虫害，提高了生产。这些样样都离不开化学家的帮助。可以毫不夸张地说，人类的生活离不开化学的发展。但传统化学工业给人类环境带来的污染十分严重，已引起了社会各界的关注，在使用这些化学产品的过程中也产生了大量的废物，污染了环境，全世界目前每年产生的3―4亿吨危险废物（中国化学工业排放的废水、废气和固体废物分别占全国工业排放总量的22.5%、7.82%、5.93%），给人类带来了灾难。解决这一矛盾已成为21世纪人类环境问题的科学挑战。
　　今天，研究人员正努力探讨各种物质对环境造成的影响及研究怎样清除污染，应付各种环境问题。化学家已提出绿色化学概念，提倡绿色化学和绿色生产，以及防止污染、治理污染的方法来消除环境污染，使化学成为环境的朋友。
　　
　　二、概念
　　
　　1.概念的由来
　　化学品的生产、使用与处理，给环境造成越来越严重的污染，起初人们试图通过减少废气、废水和固体废弃物的排放量来解决污染问题，而后又通过法规来对废弃物进行管理。现在，人们已经充分认识到，最佳的环境保护方法是从源头上防止污染的产生，而不是产生后再去治理。1991年，美国化学会提出了“绿色化学”的概念，作为从源头上防止环境污染的一种重要、策略和手段，越来越受到人们的关注。
　　绿色化学（Green Chemistry），又称环境无害化学（Environmentally Benign Chemistry）、环境友好化学（Environmentally Friendly Chemistry）、清洁化学（Clean Chemistry），是可持续发展的基本化学问题，是一门从源头阻止污染的化学，是国计民生亟须解决的热点研究领域。
　　2.绿色化学定义
　　绿色化学是一种以保护环境为目标来设计、生产化学产品的最新科技成果，是一门从源头上阻止污染的化学。绿色化学概念从一提出来，就明确了它的现代内涵，是研究和寻找能充分利用的无毒害原材料，最大程度地节约能源，在各环节都实现净化和无污染的反应途径。它的主要特点是：①充分利用资源和能源，采用无毒、无害的原料；②在无毒、无害的条件下进行反应，以减少废物向环境排放；③提高原子的利用率，力图使所有作为原料的原子都被产品所消纳，实现“零排放”；④生产出有利于环境保护、社区安全和人体健康的环境友好的产品。
　　3.绿色化学的涵义
　　它的具体内涵之一体现在“5R”上。
　　（1）减量（Reduction），既节省资源，又减少“三废”的排放。
　　（2）重复使用（Reuse），既是降低成本的需要，又是减废的需要，诸如化学过程中催化剂、载体等。
　　（3）回收（Recycling），可以有效实现“省资源、少污染、减成本”要求，如回收未反应原料、回收副产物、回收助溶剂、催化剂、稳定剂等非反应试剂。
　　（4）再生（Regeneration），既变费为宝，节省资源、能源，又减少污染，如离子交换树脂、磺化煤等。
　　（5）拒用（Rejection），指对一些既无法代替，又无法回收、再生和重复使用、有毒副作用、污染作用的原料，拒绝在化学过程中使用。
　　绿色化学的另一个核心内容是“原子经济性”，即充分利用反应物中的各个原子，因而既能充分利用资源,又能防止污染。用原子利用率衡量反应的原子经济性,为高效的有机合成应最大限度地利用原料分子的每一个原子，使之结合到目标分子中，达到零排放。绿色有机合成应该是原子经济性的。原子利用率越高，反应产生的废弃物越少，对环境造成的污染也越少。
　　
　　三、绿色化学的基本原理
　　
　　1.绿色化学的12项原则
　　（1）防止污染的产生优于治理产生的污染；（2）原子经济性；（3）只要可行，应尽量采用毒性小的化学合成路线；（4）更安全的化学品的设计应能保留其功效，但降低毒性；（5）应尽可能避免使用辅助物质（如溶剂分离剂等），如用时应是无毒的；（6）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；（7）原料应是可再生的，而非将耗竭的；（8）尽量避免不必要的衍生化步骤；（9）催化性能试剂（有尽可能好的选择性）优于当量试剂；（10）化工产品在完成其使命后，不应残留在环境中，而能降解为无害的物质；（11）在化学转换过程中，所选用的物质和物质形态应尽可能地降低发生化学事故的可能；（12）在化学转换过程中，所选用的物质和物质形态应尽可能地降低发生化学事故的可能性。
　　2.对本原则的理解
　　（1）开发“原子经济”反应。Trost在1991年首先提出了原子经济性（Atom economy）的概念（为此他曾经获得了1998年度的总统绿色化学挑战奖的学术奖），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，不产生副产物或废物，实现废物的“零排放”（Zero emission）。对于大宗基本有机原料的生产来说，选择原子经济反应十分重要。
　　（2）采用无毒、无害的催化剂。采用新型、高效、对环境友好、可回收的催化剂，可以提高反应的选择性，并避免副产物的生成，提高原子的利用率，减少有害物质对环境的排放。
　　（3）采用无毒、无害的溶剂。致力于开发无溶剂存在下的反应，如固态反应；开发和应用无毒、廉价、不危害环境的水介质体系；以超临界流体做介质的反应将成为绿色合成工艺的重要途径。
　　大量的与化学品制造相关的污染问题不仅来源于原料和产品，还源自在其制造过程中使用的物质。最常见的是在反应介质、分离和配方中所用的溶剂。当前广泛使用的溶剂在使用过程中有的会引起地面臭氧的形成，有的会引起水源污染。因此，需要限制这类溶剂的使用。采用无毒无害的溶剂代替挥发性有机化合物作溶剂已成为绿色化学的重要研究方向。
　　（4）利用可再生的资源合成化学品。利用再生的资源合成化学品，采用可再生资源做化学化工原料，是绿色化学的一项重要任务和方向。据统计，现在95%以上的有机化学品都来自石油和煤炭，但石油和煤炭的储量有限，属不可再生能源。同时，石油和煤炭的开发和加工又严重污染环境。
　　利用生物质（生物原料）（Biomass）代替当前广泛使用的石油，是保护环境的一个长远的发展方向。生物质主要由淀粉及纤维素等组成，前者易于转化为葡萄糖，而后者则由于结晶及与木质素共生等原因，通过纤维素酶等转化为葡萄糖难度较大。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造作为尼龙原料的己二酸取得了显著进展。由于苯是已知的治癌物质，以经济和技术上可行的方式，从合成大量的有机原料中去除苯是具有竞争力的绿色化学目标。

　　另外，Gross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。由于其同时解决了多个环保问题，因此引起人们的特别兴趣。其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。
　　（5）环境友好产品。采用新的工艺、新的原料、新的配方，合成新的对人类和环境无毒、无害的绿色产品是绿色化学的最终使命和终极目标。如开发新型的制冷剂，减少对臭氧层的破坏；开发新型的、可生物降解的高分子材料，解决“白色污染”问题在环境友好产品方面。
　　（6）从产品开发的途径上考虑。传统的化学工艺的开发是经过漫长的实验探索，并不断地改进、优化和完善。在这种研究模式下，必将消耗大量的化学试剂、溶剂和能源，并源源不断地产生副产物和废物。往往开发一条可行的化学工艺需要经过漫长的时间和消耗大量的人力、物力。目前，计算机辅助分子设计和材料设计是一门新兴学科分支，并在实践中取得了广泛的发展和应用。如在有机合成和药物合成中，科学家首先建立了一个已知的有机合成反应尽可能全的资料库,然后在确定目标产物后,第一步找出一切可产生目标产物的反应；第二步把这些反应的原料作为中间目标产物找出一切可产生它们的反应路线；接着应用计算机智能技术优化出价廉、物美、不浪费资源、不污染环境的最佳反应路线；最后通过化学方法合成出所设计的目标分子。
　　
　　四、绿色化学与可持续发展
　　
　　实现可持续发展战略已成为世界许多国家指导经济、社会发展的总体战略，即经济的发展必须和人口、环境、资源统筹考虑。1987年世界环境与发展委员会提出采用可持续发展的总原则是：“今天的人类不应以牺牲今后几代人的幸福而满足其需要。”可持续发展的核心思想是在经济发展的同时，注意保护资源和改善环境，合理地保护和改善环境为可持续发展提供物质基础。环境对发展的约束是由于不合理的发展破坏了环境所致，而合理的发展又为治理环境提供了更多的技术和资金，绿色化学是可持续发展的有效途径。
　　绿色化学提出全新产生绿色化学技术及驱动机制，从而提高了人类从事物质生产的能力。首先，它给人类、社会和自然环境带来了积极影响，控制了污染在时间上的延续和空间上的扩展，为可持续发展起到了促进作用；其次，它为人类可持续发展提供了调节和制约的保护作用，它能够不断调整和平衡资源的有序开发和综合利用，制约利用资源的速度和规模，扬长避短，变害为利，减少和克服人类社会发展过程中给自然所造成的负面影响，保护濒于灭绝物种和不断减少的使用资源，使人类社会和经济增长协调发展；再次，它为可持续发展提供观察和监测的规划作用，如全球变暖、臭氧层被破坏等环境问题，需要全球各国共同努力，而绿色化学的功能恰恰能够不断地观察和监测全球发展的表现和动向，对人类社会、经济、生态环境的发展的决策和行动提供智力支持，从而形成有效的规划蓝图。由此可见，绿色化学为人类的可持续发展提供了完整的体系和方式，是可持续发展的必由之路。
　　综上所述，绿色化学彻底抛弃了“先发展、后治理”，发展经济以牺牲环境为代价的发展模式，进而采用绿色的与环境友好相结合的发展模式，从源头上堵住污染的产生，从根本上减少或消除污染，满足了现代社会可持续发展的要求，是一条人口增长、经济发展、社会进步、环境治理和节约资源相互协调发展的必由之路。
　　
　　五、绿色化学的发展方向
　　
　　从绿色化学的目标来看有两方面必须重视：一是开发以“原子经济性”为基本原则的新化学反应过程，二是改进现有化学工业，减少和消除污染。（1）新的化学反应过程研究；（2）传统化学过程的绿色化学改造这是一个很大的开发领域；（3）能源中的绿色化学问题和洁净煤化学技术；（4）资源再生和循环使用技术研究；（5）综合利用的绿色生化工程如用现代生物技术进行煤的脱硫、微生物造纸及生物质能源等的研究。
　　
　　六、未来展望
　　
　　展望21世纪，我国的工业化、城市化将继续发展，人口还要增加，对化学工业的需求也还将增多，而传统化学工业虽在农药、聚合物、材料科学、去污剂、石油添加剂、水处理、废物处置等方面做出了巨大贡献，但它也带来了一个负面影响――环境污染，增加了对环境的压力，而人民群众对改善环境、提高生活质量的要求又越来越强烈。党中央、国务院反复强调：“保护环境是我国的一项基本国策，是可持续发展战略的重要内容，直接关系到现代化建设的成败和中华民族的复兴。”“加快经济建设，决不能以破坏环境为代价，决不能把环境保护同经济建设对立起来或割裂开来，决不能走先污染后治理的老路，那样代价太大。”“防止资源浪费。”绿色化学以其“原子经济性”为基本原则，一方面充分利用资源防止浪费，另一方面实现“零排放”，达到了不污染环境的效果。因此，它对于我国的现代化建设和人类未来生活都有着不可估量的巨大意义。只要我们提高科技水平，用好绿色化学技术，搞好搞活我国经济，必须使我们祖国的水更清，天更蓝，山川更秀丽，家园更美好，人民更健康。
　　
　　参考文献：
　　［１］北海若.绿色化学.
　　［２］赵振.绿色化学――人类可持续发展的必由之路.
　　［３］张智芳.绿色化学――创造绿色生活.
　　［４］申泮文.绿色化学的广阔前景.

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