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1、8 1 第八章绿色化学的基本原理和应用 Chapter8 FundamentalPrinciplesandApplicationsofGreenChemistry 8 2 内容提要及要点要求 本章介绍一个颇具生命力的一门新兴交叉学科 绿色化学的诞生和发展过程 讨论了绿色化学的原理和应用 学习中要充分理解和体会绿色化学的重要学术意义和实用价值 掌握绿色化学的12条原理及其与绿色工程和工业生态学原理的相互联系 明确绿色化学的主要研究方向 并从典型应用实例中学习灵活运用绿色化学原理解决实际问题的学术思路 认识绿色化学在保护生态环境 促进可持续发展战略方针贯彻方面的巨大作用 8 3 第一节绿色化学的诞
2、生和发展简史 8 1EmergenceandDevelopmentofGreenChemistry 一 绿色化学的定义DefinitionofGreenChemistry 二 关于绿色化学的发展史简介IntroductionofDevelopmentofGreenChemistry 8 4 一 绿色化学的定义DefinitionofGreenChemistry 在生态环境保护领域 20世纪末到21世纪初 工业和经济发达国家相继采取措施 使其工作重心从污染治理转向污染预防 长期以来 化学品的开发 生产和应用为人类社会的进步作出了不可磨灭的巨大贡献 然而 许多事实表明有害化学品的负面影响已给生态环
3、境乃至人类健康造成现实的或潜在的巨大威胁 8 5 化学污染物的问题只靠 点水止沸 式的治理是不行的 必须从化学品设计 生产过程着手进行 釜底抽薪 式的革新来消除产生负面效应的根源 根本的有力措施是把化学改革成可持续发展的学科 为满足此种迫切需要 就产生了 绿色化学 这一崭新学科 8 6 定义绿色化学 GreenChemistry 也可叫作可持续的化学 SustainableChemistry 它是一个概括性的概念 化学是一种给予能力的或可操作的科学 利用它可使经济和环境的发展协调地进行 Chemistryisanenablingsciencethatwillalloweconomicprogr
4、essandenvironmentalprogresstoproceedinharmony 按照定义 绿色化学就是研究利用一套原理在化学产品的设计 开发和加工生产等过程中都应减少或消除使用或产生对人类健康和环境有害物质的科学 8 7 Greenchemistryisthesustainablepracticeofchemicalscienceandmanufacturingwithinaframeworkofindustrialecologyinamannerthatissustainable safe andnon polluting consumingminimumamountsofene
5、rgyandmaterialresourceswhileproducingvirtuallynowastes FromGreenChemistry theTenCommandmentsofsustainability 2nded ManahanSE ChemCharResearch Inc 2006 9 8 8 Economic Atahighlevelofsophistication greenchemistrynormallycostslessinconventionaleconomicterms aswellasenvironmentalcosts thanchemistryasitis
6、traditionallypracticedMaterials Byefficientlyusingmaterials maximumrecycling andminimumuseofvirginrawmaterials greenchemistryissustainablewithrespecttomaterialsWaste Byreducinginsofaraspossible oreventotallyeliminatingtheirproduction greenchemistryissustainablewithrespecttowastes GreenChemistry的 Sus
7、tainable 从三方面体现 8 9 1987年联合国提出关于 OurCommonFuture 的报告 率先提出了可持续发展的概念 随之 1992年在巴西里约举行的联合国环境与发展大会上受到百余国家元首的一致肯定 这意味着工业增长 经济发展必须既符合当代社会需要并能为人类后代保护资源和环境 1990年美国通过了着眼污染预防的第一个环境法规 污染防治法 pollutionpreventionactof1990 有一些重要事件促使了绿色化学的诞生 8 10 第一节绿色化学的诞生和发展简史 8 1EmergenceandDevelopmentofGreenChemistry 一 绿色化学的定义De
8、finitionofGreenChemistry 二 关于绿色化学的发展史简介IntroductionofDevelopmentofGreenChemistry 8 11 美国EPA于1991年开始了绿色化学规划 当时在该局污染预防和毒物办公室工作的Anastas博士提出了绿色化学名词的创意 已谢世的Hancock博士在其担任美国国家科学基金会化学部主任期间与USEPA合作资助支持开展环境友好化学领域的研究工作 他强调化学家和化学学科不仅在解决已存在的环境问题中起作用 而且要在防治未来产生环境问题方面起更重要的作用 1 2 二 关于绿色化学的发展史简介IntroductionofDevelop
9、mentofGreenChemistry 8 12 1994年8月美国化学学会 ACS 举行208th全国年会时 其环境化学分会的主题命名为 为环境而设计 21世纪的环境范例 分组会主题涉及 为环境设计化学合成和过程 在社区和工业中设计化学品的安全性 有关决策设计的信息工具和数据库 清洁生产国际展望 设计安全化学品 环境友好生产过程 方法和案例 在21世纪中设计无铅儿童用品等 实际上 此次会议就是首次以绿色化学为主题的国际学术研讨会 3 8 13 随后USEPA 学术界 工业界与相关的政府部门协作 提出要以化学为基础开发新的污染预防技术并建议设立总统绿色化学挑战奖加以鼓励 经当届美国总统Cli
10、nton批准 于1995年设立了此种特殊奖励 规定每年于华盛顿举行绿色化学与工程学术年会之际颁发一次 4 8 14 1997年建立了全球第一个绿色化学研究院 greenchemistryinstitute GCI 5 6 1999年初 英国皇家化学会创办了国际性的学术刊物 GreenChemistry 7 8 15 同时 有关绿色化学的教育工作也取得显著效果 如USEPA与ACS协议 共同设计 发放教材 提供大学和独立学院使用 意大利的化学和环境科学校际联合体举办了绿色化学国际研究生暑期学校 2001年ACS还邀请几所高校教师负责开办了绿色化学的实验活动 如今在美国 英国 澳大利亚等国 不少高
11、校都开设了绿色化学的课程 美国麻省大学已培养出了绿色化学专业的博士生 8 9 8 16 我国也非常关注这一极富生命力的新兴学科并开展了不少工作 1 8 17 8 18 4 8 19 第二节绿色化学的基本原理 8 2FundamentalPrinciplesofGreenChemistry 一 绿色化学的12条基本原理TwelveFundamentalPrinciplesofGreenChemistry 二 绿色化学与绿色工程GreenChemistryandGreenEngineering 三 工业生态学原理PrinciplesofIndustrialEcology 8 20 一 绿色化学的1
12、2条基本原理TwelveFundamentalPrinciplesofGreenChemistry 1 预防 Prevention 防止产生废物比在它产生后再处理或清除更好 2 原子经济性 AtomEconomy 设计合成方法时 应尽可能使用于生产加工过程的材料都进入最后的产品中 8 21 一 绿色化学的12条基本原理 3 无害 或少害 的化学合成 LessHazardousChemsyntheses 所设计的合成方法应该使用和产生对人类健康和环境毒性很小或没有毒性的物质 4 设计无危险的化学品 DesignSaferChemicals 化学产品应该设计为可以有效地显示所期望的功能而毒性最小
13、8 22 一 绿色化学的12条基本原理 5 安全的溶剂和助剂 SaferSolventsandAuxiliaries 所使用的辅助物质包括溶剂 分离试剂 和其他物品当使用时都应是无害的 6 设计要讲求能效 DesignforEnergyEfficiency 化学加工过程的能源要求应该考虑它们的环境的和经济的影响并应尽量节省 如果可能 合成方法应在室温和常压下进行 8 23 一 绿色化学的12条基本原理 7 使用可再生的原料 UseRenewableFeedstocks 当技术和经济上可行 原料和加工厂粗料都应可再生 8 减少衍生物 ReduceDerivatives 如果可能 尽量减少和避免利
14、用衍生化反应 因为 此种步骤需要添加额外的试剂并且可能产生废弃物 8 24 一 绿色化学的12条基本原理 9 催化作用 Catalysis 采用具有高选择性的催化剂比化学计量学的助剂优越得多 10 设计要考虑降解 DesignforDegradation 设计化学产品应使它们在功能终了时 分解为无害的降解产物并不在环境中长期存在 11 为了预防污染进行实时分析 Real TimeAnalysisforPollutionPrevention 需要进一步开发新的分析方法 使其可进行实时的生产过程监测并在有害物质形成之前予以控制 8 25 一 绿色化学的12条基本原理 12 防止事故发生的固有安全化
15、学 InherentlySaferChemistryforAccidentPrevention 在化学过程中使用的物质和物质形态的选择 应使其尽可能地减少发生化学事故的潜在可能性 包括释放 爆炸以及着火等事故的潜在可能性 12条原理实质上最关键的核心精神就是在化学品的创造 应用乃至报废的整个过程中做到少废 无废和无毒 无害 8 26 获取原料并将其转化为有用产品的三个主要步骤 每个步骤均具有环境影响并能从绿色化学原理的应用中受益 源 寿命 方法和提取的环境影响 从废物或副产物中分离出欲得到的成分 将单一原料转化为欲得到产品 副产物和环境影响 FundamentalsofEnvironmenta
16、lChemistry ManahanSE 8 27 仅就与这12条原理相关的几个重要方面作些讨论 1 非传统原材料原材料的选择在绿色化学的决策过程中是很重要的 过去在人工合成的有机化学品中 绝大多数是从石化原料制备的 原油的精炼要消耗大量能源 在使原油转化为有用化学品的方法中 要经过氧化 加氧或类似的过程 化学品生产中污染环境的主要步骤之一即为此氧化过程 8 28 仅就与这12条原理相关的几个重要方面作些讨论 化学合成工业如采用生物质 biomass 代替石油作原料 即可节约石油这类不可再生的资源 而且由于生物质中都含有一定量的氧 可以避免或减少以石油作原料时需要使用有毒试剂的烃类加氧反应带来的环境污染问题 探索和开发非传统的可再生原材料是绿色化学的另一重要内容 8 29 仅就与这12条原理相关的几个重要方面作些讨论 2 非传统溶剂在传统的有机合成反应中有机溶剂是最常用的反应介质 然而大量使用有机溶剂会有不少负面影响 比如挥发至空气中 在日光下可与氮氧化物反应生成O3 还可引发光化学烟雾 多种常用的多氯化的有机溶剂有毒且易燃易爆 因此 开发选择环境友好的反应介质是绿色化学研究的一个重要
