绿色化工与环境保护

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1、绿色化工与环境保护【摘要】：化学工业的发展极大地推动了人类物质生产和生活的巨大进步，并且为人类创造了大量的物质财富,然而,目前化学工业在给人类带来益处的同时，也给人类和自然环境带来了严重有害的影响甚至是灾难。长期以来 , 污染一直是困扰化学工业的致命问题,它阻碍着化学工业的健康发展1。在全球提倡可持续发展、绿色发展的今天， 绿色化工责无旁贷的成为了化工行业可持续发展的必然选择， 它是人类和化工行业可持续发展的客观要求，是控制化工污染的最有效手段。本文提出绿色化工概念， 着重讨论了绿色化工技术在采用无毒无害原料、提高选择性、使用无毒害溶剂、 改进工艺及采用生物技术等手段来阻止化工生产对环境造成污

2、染。【关键字】：绿色化工原料 无污染前言化学工业 ,为人类创造了前所未有的巨大的财富,满足了人们越来越高的生产和生活要求。但在全球保护环境的呼声日益高涨的情况下,化学工业又首当其冲 ,成了人们抱怨的罪魁祸首。 我们不能因为化学工业的成绩而回避现实中存在的污染问题 ,也不能因为污染问题而对它全盘否定。正确的态度,应该是从化工污染的特点入手 ,采取积极的措施 ,使化学工业能够扬长避短,不断前进 ,踏上时代发展的“ 绿色快车 ” 。尽管 20 多年来我国在化工环境保护方面做了很大的努力，采取了一系列措施，使得化工污染物排放总量得到控制，甚至污染物排放量还有所降低，但化工行业所面临的环境形势依然严峻。

3、化工行业仍是污染大户， 治理污染的任务仍然十分繁重。 现如今，我国的化工行业污染现状主要有三个：化工废水污染、 化工废气污染、 化工废渣污染。 为了改进化工生产中产生的问题，必须寻找其可持续发展的解决方法。1 绿色化工的1.1 绿色化工的概念绿色化工就是把传统的化工绿色化，即设计环境友好的化学反应路线。物质和能量构成闭路循环的化工工艺流程。同时生产绿色化学产品。 使化学反应和化工过程从源头起就不产生环境污染。将传统的化学工业建设和改造成为可持续发展的绿色化学工业2。1.2 绿色化学的原则与范围绿色化学的核心是利用化学原理从源头上减少和消除工业生产对环境的污染。按照绿色化学的原则， 理想的化工生

4、产方式应是反应物的原子全部转化为期望的最终产物。这绿色化工的12 项原则3,4,5,6是：1)防止废物：设计化学合成方法，防止废物的产生，而不是在它已经产生后再去处理或清理。2)设计更安全的化合物和产物：设计更有效、低毒或无毒的化合物。合成方法的设计应该是最大化地将工艺中使用的所有材料转变为最终产品。3)降低化学合成方法的危险性：降低或消除合成方法对人类及环境的毒性。只要有可能，合成方法的设计应该是使用和产生的物质毒性很小或没有毒性。4)使用可再生原料：使用可再生原料而非消耗型原料；可再生的原料一般来源于农产品或是其他过程产生的废物；消耗型原料一般来源于石油、 天然气等。5)使用催化剂而非当量

5、试剂：通过催化反应将废物量降到最低。催化剂是指少量而可以进行多次催化反应的试剂，而当量试剂一般过量且只能反应一次。只要有可能应尽量不使用溶剂等辅料，如果使用溶剂等应没有毒性。6)提高能源效率：可能的话，在常温常压下进行合成反应。7)使原子经济反应最大化：最大比例地利用起始反应物的原子。只要技术和经济上可行，原材料应该是可以再生的。8) 避免产生衍生物：衍生物的产生将使用额外的试剂，并产生废物。9)使用更安全的溶剂和反应条件： 避免使用溶剂 /混合物分离试剂和其他的辅助化合物。如果必须使用，应选择无害的物质。如果需要使用溶剂，应尽量选择水。催化剂要优于化学计量试剂。10) 设计可降解的产物：产物

6、在使用后应可降解，而不要在环境中累积。化工产品的设计应该是在其功能终结后，它们可分解为无毒的可降解产品。11) 实时分析并防止污染：在生产过程中进行实时监控，以减少或消除附产物的生成。进一步开发在形成危险物以前就可以实时监测和控制的分析方法。12) 把事故可能性降到最低：设计化合物及其状态（固态、液态、气态），以降低爆炸、火灾、泄漏发生的可能性。用于化工工艺物质的选择应该能将潜在的化工事故减至最小。这 12 条原则目前为国际化学界所公认，它也反映了近年来在绿色化学领域中所开展的多方面的研究工作内容，同时也指明了未来发展绿色化学的方向。2 控制有毒原料和溶剂，改造和杜绝污染产品的品种, 是实行绿

7、色化工的前提2.1 控制有毒原料的加工，选择无毒的催化剂采用无毒、 无害的化工原料或可再生资源原料替代剧毒的、造成环境严重污染的原料， 生产特定的产品是绿色化学的重要研究内容。例如。不采用剧毒的光气生产有机化工原料碳酸二甲酯得到了广泛的研究。现有化工生产中， 往往使用剧毒的光气和氢氰酸等作为原料，为了人类健康和环境安全，需要用无毒无害的原料代替它们来生产所需的化工产品。在代替剧毒的光气作原料生产有机化工原料方面 ,碳酸二甲酯（ DMC）起到了重要的作用7。DMC 无毒而且在无光气的环境中合成，如由甲醇和氧气或由甲醇与二氧化碳为原料合成。碳酸二甲酯亦能代替常用的甲基化试剂硫酸二甲酯及卤代甲烷,后

8、两者均具有很强毒性和致癌性8。羰基化反应常用光气（ CoC12）作羰基化试剂，但光气剧毒、且生产过程中产生大量的氯化氢， 既腐蚀设备又污染环境。 用 DMC 代替剧毒的光气进行羰基化可避免以上缺陷。传统化工生产过程中， 常采用氢氟酸、 硫酸、三氯化铝等作为催化剂， 如烃类的烷基化反应。 这些催化剂的共同缺点是， 对设备的腐蚀严重、 对人身危害和产生废渣、 污染环境等。 作为化工领域普遍使用的催化剂，在绿色化工中的作用尤其显得重要。 Anastas 等提出了绿色化学设计、 开发、应用过程的十二条原则，并详细介绍了主要运用催化作用来实现这些原则。大力开发分子筛、 杂多酸、超强酸等固体酸催化剂及树脂

9、催化剂，来代替液体酸、 碱作催化剂， 是实现环境友好新工艺的一条重要途径9。2.2 采用无毒无害的溶剂, 减少有机榕剂的排放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，而且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是挥发性有机化合物（VOC） ，其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10。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。在无毒无害溶剂的研究中，最活跃的研究项目是开发超临界流体（SCF） ，特别是超临界二氧化碳作溶剂。超临界二氧化碳是指温

10、度和压力均在其临界点（311、7477.79kPa ）以上的二氧化碳流体。它通常具有液体的密度，因而有常规液态溶剂的溶解度； 在相同条件下， 它又具有气体的粘度， 因而又具有很高的传质速度。 而且，由于具有很大的可压缩性， 流体的密度、 溶剂溶解度和粘度等性能均可由压力和温度的变化来调节。超临界二氧化碳的最大优点是无毒、不可燃、价廉等。在超临界二氧化碳用于反应溶剂的研究方面，Tanko提供了经典的自由基反应在这一新的溶剂体系中如何作用的基础和知识。他以烷基芳烃的溴化反应为模型体系，发现在超临界流体中的自由基卤化反应的收率和选择性等同或在某些情况下优于常规体系下的反应。DeSimone 的实验室

11、广泛研究了在超临界流体中的聚合反应，指出采用一些不同的单体能够合成出多种聚合物，对于甲基丙烯酸的聚合，超临界流体比常规的有机卤化物溶剂有显著的优越性。此外，Tumas及其合作者详细研究了环氧化合物的聚合、烯烃氧化和不对称加氢等。 与常规溶剂体系相比，上述反应没有经历中间物， 尤其在不对称加氢反应上表现出优异的性能。除采用超临界溶剂外，还有研究水或近临界水作为溶剂以及有机溶剂/水相界面反应。 采用水作溶剂虽然能避免有机溶剂，但由于其溶解度有限， 限制了它的应用，而且还要注意废水是否会造成污染。在有机溶剂/水相界面反应中，一般采用毒性较小的溶剂 （甲苯）代替原有毒性较大的溶剂，如二甲基甲酰胺、 二

12、甲基亚砜、醋酸等11。 采用无溶剂的固相反应也是避免使用挥发性溶剂的一个研究动向，如用微波来促进固、固相有机反应。2.3 不断改造、杜绝污染产品的品种，生产的产品无污染化工产品品种繁多 , 涉及工农业生产与日常生活的方方面面, 有些化工产品在生产和使用过程中剧毒有害、污染环境, 需要采取改革产品品种的措施, 如在农药生产上鉴于汞制剂的残留性, 一些国家已禁止或限制使用汞制剂。我国已禁止生产和停止进口有机汞农药, 并积极研制非汞杀菌刑代用品种。染料生产产品品种改革同样是很突出的问题。联苯胺以及偶氮染料中有些产品属致癌性的物质 , 需要改变其结构、发展无毒害的产品品种。现在研究加入水溶性或易分解基

13、团 ,改造联苯胺成非平面型立体异构, 降低氯化深度等 , 使化台物结构变成无致癌性以避免毒害12。3 不断从技术上创新, 要大力推行清洁技术清洁生产可满足人们的需要, 它合理地使用自然资源和能源, 并保护环境的实际生产方法和措施 , 将废物减量化、资源化和无害化或消灭于生产过程中, 同时对人体和环境无害的绿色产品的生产亦将随着可持续发展进程的深入而日益成为今后产品生产的主导方向13。清洁技术又分为三类:一类是生产技术系统的运转对生态系统的消极影响很小或有利于恢复和重建生态平衡, 如以发电厂粉煤灰为主要原料生产砖块, 水泥等建筑材料的生产技术系统; 二是产品技术系统功能的发挥以及报废在自然降解过

14、程对生态系统的消极影响甚微; 三是单元技术在产业技术系统中的应用可以明显减轻或部分消除原技术系统前生态负效应, 如节能降耗技术就属这一类12。4 采用生物技术来合成化学品, 接近大自然的“ 绿化 ” 工艺生物化工是一门生物化学、 微生学及化学工程学之间交叉的边缘科学, 是生物技术中将近生物学的成就转变成生产力所必不可少的重要组成部分。现今世界上各国都意识到生物技术蕴藏着巨大的经济效益和社会效益, 人们非常重视其开发和研究。生物技术生产化学品的特点14: 1)原料为可再生资源2)生产过程温和3)反应专一性4)设备同一性5)可进行高难度的化学反应6)三废污染少在生物技术的化学反应中, 大都以自然界

15、中的酶或者通过D N A 重组及基因工程等生物技术在微生物上生产出工业酶为催化剂。酶催化剂的优点在于条件温和、设备简单 , 选择性好 , 副反应小 ,产品性质优良 , 又不产生新的污染。据研究表明 , 以葡萄糖为原料通过合成酶制得过1,2-苯二酚 , 进而制得尼龙原料己二酸, 而不必从传统的苯开始制造。此外, 可由葡萄糖通过遗传工程酶制得苯醌, 1,3-丙二醉、乙醇、丁二醇和乳酸等有机化工产品。有人也比较了染料、靛蓝的三种合成方法：（1）拟苯胺为原料的碱熔法。 （2）苯胺与乙二胺催化法。（3）以L-色氨酸为原料的发酵法。上述第三种方法是更为接近自然界的“ 绿色” 工艺, 即在工艺中产生的工业

16、“ 三废” 是最低的 , 基本达到 “ 零排放 ” 的标准15。4.1 生物柴油16近年来 , 国内外一些研究者提出了基于催化加氢过程的生物柴油合成技术路线, 动植物油脂通过加氢脱氧、异构化等反应得到类似柴油组分的直链烷烃, 形成了第二代生物柴油制备技术。比较典型的是加拿大Sakatchewan研究委员会( SRC ) 和 Natural Resource Canada 合作提出了植物油加氢脱氧制备生物柴油的工艺。该工艺首座工业生产装置于2007 年 5 月在芬兰南部建成投产 , 其生产能力达到 170kt /a。4.2 生物质塑料17聚乳酸 ( PLA ) 称为 “ 生物质塑料 ”, 也称聚丙交酯 , 是以玉米等富含淀粉的农作物为原料 , 经过现代生物技术合成乳酸, 再经特殊的聚合反应过程生成的高分子材料。聚乳酸是近年来开发研究最活跃和发展最快的生物可降解材料,也是目前唯一在成本和性能上可与石油基塑料相竞争的植物基塑料。随着聚乳酸性能不断得到改进提高, 使之更有竞争力。 聚乳酸材料耐高温性能差一直是一个难于解决的问题, 最