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1、绿色化学与清洁生产应化1007班 刘洋 2010016197摘 要:化学工业在给人类带来丰富的新产品的同时, 也带来了严重的环境污染。于是绿色化学应运而生。绿色化学的理想在于不再使用有毒、有害的物质, 不再产生废物, 不再处理废物, 它是一门从源头上阻止污染的化学。清洁生产就是绿色化学的生产实践,而绿色化学又是清洁生产的理论指导。本文对绿色化学和清洁生产的研究的内容、技术概况及其发展方向进行综述。关键词:绿色化学 清洁生产 1.引言化学在保证和提高人类生活质量、保护自然环境以及增强化学工业的竞争力方面均起着重要作用。化学科学的研究成果和化学知识的应用, 创造了无数的新产品, 并走进了千家万户的
2、生活中, 使我们衣、食、住、行各个方面都受益匪浅, 更不用说化学药物对人们防病祛疾、延年益寿、更高质量地享受生活等方面起到的作用。但是另一方面, 随着化学品的大量生产和广泛应用,给人类原本和谐的生态环境带来了黑臭的污水、讨厌的烟尘、难以处置的废物和各种各样的毒物, 这些正威胁着人们的健康, 伤害着我们的地球。目前人类正面临的十大环境问题是:(1)大气污染;(2)臭氧层破坏;(3)全球变暖;(4)海洋污染;(5)淡水紧张和污染;(6)土地退化和沙漠化;(7)森林锐减;(8)生物多样性减少;(9)环境公害;(10)有毒化学品和危险废物。应当说这十个问题都直接或间接地与化学物质污染有一定关系。因此从
3、根本上或源头上治理环境污染的必由之路就是要大力发展绿色化学,进行清洁生产1。2.绿色化学的起源与发展概况2.1国外绿色化学的起源与发展概况1989年美国环保局(EPA)提出“废物最小化”,基本思想是通过减少产生废物和回收利用废物以达到废物最少, 这是绿色化学的最初思想。但废物最小化有一定的局限性, 因为它主要是一个与有害废物有关的术语, 包括废物的回收利用, 而未能将注意力集中在生产过程上。因而, 1989年美国环保局又提出了“污染预防”的概念, 污染预防是指最大限度地减少生产场地产生的废物, 它包括减少使用有害物质和更有效地利用资源, 并以此来保护自然资源。至此,绿色化学的思想初步形成。19
4、90年美联邦政府通过了“防止污染行动”的法令, 将污染的防止确立为国策, 该法案条文中第一次出现了“绿色化学”一词, 其定义为采用最少的资源和能源消耗, 并产生最小排放的工艺过程。1992 年美国环保局又发布了“污染预防战略”。这些活动推动了绿色化学在美国的迅速兴起和发展, 并引起全世界的极大关注。在这一年,在巴西里约热内卢召开了联合国环境与发展大会(UNCED) , 后被称为“绿色国际会议”。大会通过了21世纪议程, 正式奠定了全球发展的最新战略可持续发展。从此,人类将从工业文明的发展模式转向生态文明的发展模式。绿色化学也在这一大背景下产生并逐渐成为可持续发展理论的重要内容2。2.2 国内绿
5、色化学的起源与发展概况面对国际上兴起的绿色化学与清洁生产技术浪潮, 我国有关部门和机构也开展了相应的行动。1995年中国科学院化学部组织的“绿色化学与技术推进化工生产可持续发展的途径”院士咨询活动, 结合国内情况, 提出了发展绿色化学与技术、消灭和减少环境污染源的7条建议。1997 年由国家自然科学基金委和中国石油化工总公司联合资助的“九五”重大基础研究项目“环境友好石油化工催化化学与化学反应工程”正式启动, 同年, 为迎接新世纪挑战的需要而制定的国家重点基础研究发展规划, 亦将绿色化学的基础研究项目作为支持的重要方向之一。中国科技大学和四川联合大学先后建立了绿色化学与技术的研究中心, 并相继
6、于1998 年和1999 年分别在我国合肥、成都举办了国际绿色化学高级研讨会。此外, 我国已成立了两家专门致力于绿色化学与技术的研究中心, 召开了5 次专题研讨会, 许多高校开设了绿色化学课程,绿色化学与化工和绿色化学导论已经出版。这些活动推动了我国绿色化学的迅速发展3。3.绿色化学的概念3.1 绿色化学的定义绿色化学(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)。绿色化学即是用化学的技术和方法
7、去减少或消灭那些对人类健康、社区安全、生态环境有害的原料、催化剂、溶剂和试剂、产物、副产物等的使用和生产。绿色化学的理想就在于不再使用有毒、有害的物质, 不再产生废物, 不再处理废物。总之, 绿色化学是一门具有明确社会要求和科学目标的新兴交叉学科, 就是要以体现当代最新科学技术的物理、化学、生物手段和方法, 从源头上根除污染,实现化学与生态协调发展为宗旨来研究环境友好的新反应、新过程、新产品。从科学观点认识, 绿色化学是对传统化学思维方式的更新和发展; 从环境观点认识, 它是从源头上杜绝污染或彻底阻止污染的化学, 它的着眼点就在于废物不再产生, 不再有废物处理的问题; 从经济观点来看, 它是合
8、理利用资源和能源, 降低生产成本, 符合经济可持续发展要求, 力求使化学反应具有“原子经济性”, 实现“零排放”。因此, 绿色化学是发展生态经济和工业的关键, 是实现可持续发展战略的重要组成部分43.2 绿色化学的特点绿色化学有如下特点:(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(催化剂、溶剂)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利用, 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;(5)使用计算机辅助进行设计, 在设计新的绿色化学反应时, 既要考虑产品性能好, 又要价格经济
9、, 还要产生最少的废物和副产品, 而且要求对环境无害, 其难度之大, 可想而知。因此, 化学家们在设计绿色化学反应时, 借助计算机辅助设计有机合成, 此技术已越来越成熟;(6)使用有机电化学合成方法,电化学过程是洁净技术的重要组成部分, 由于一般无须使用危险或有毒试剂, 通常在常温、常压下进行, 在洁净合成中具有独特的魅力。有机电化学以电子代替传统的化学合成中大量使用的氧化剂和还原剂, 通过电极反应界面的设计, 可以实现结合光、电、催化剂于一体的原子经济反应, 既节约能源又对环境友好, 产品成本和过程投资也大大减少5。总之,绿色化学着重于“更安全”这个理念, 不仅针对人类的健康, 还包括整个生
10、命周期中对生态环境、动物、水生生物和植物的影响; 而且除了直接影响之外,还要考虑间接影响,如转化产物或代谢物的毒性等。3.3 绿色化学的12项原则 绿色化学作为一门新的学科,尚有许多不成熟的地方。但经过20多年的研究与探索,该领域的先驱研究者已总结出了绿色化学的12条原则,这些原则主要体现了要充分关注环境的友好和安全、能源的节约、生产的安全性等问题,并且已为国际化学界所公认。这12条原则是:(1)从源头上制止污染,而不是在末端治理污染;(2)合成方法应具有“原子经济”性,即尽最大可能使参加反应过程的原子进入最终产物;(3)在合成方法中尽量不使用和不产生对人类健康和环境有毒有害的物质;(4)设计
11、具有高使用效益、低环境毒性的化学产品;(5)应尽可能避免使用溶剂、分离试剂等助剂,如不可避免,也要选用无毒无害的助剂; (6)合成方法必须考虑过程中能耗对成本与环境的影响,应设法降低能耗,生产过程应尽可能在常温常压下进行;(7)尽量采用可再生的原料,特别是用生物质代替石油和煤等矿物原料;(8)尽量减少副产品;(9)使用高选择性的催化剂;(10)化学产品在使用完后,应能降解成无害的物质并能进入自然生态循环;(11)发展适时分析技术以便监控有害物质的形成;(12)选择参加化学过程的物质,尽量减少发生意外事故的风险6。4.绿色化学的物品及技术概论化学可以粗略地看作是研究从一种物质向另一种物质转化的科
12、学。传统的化学在给人类得到所需新物质的同时,未能充分有效地利用资源,产生大量排放物,造成严重的环境污染。绿色化学,是高层次的化学,主要特点是“原子经济性”。使传统化学从“粗放型”向“集约型”转变7。绿色化学可以变废为宝, 使经济效益大幅提高, 又称环境无害化学(environment benign chemistry)、清洁化学(clean chemistry)、原子经济学(atomic economy) 8,9等。绿色化学与环境化学既相关又有区别,环境化学是研究对环境影响的化学,而绿色化学是研究与环境友好的化学反应。传统化学也有许多环境友好的反应,绿色化学继承了它们;而对于传统化学中那些破坏
13、环境的反应,绿色化学将寻找新的环境友好反应来代替它们。一般来说,对绿色化学的评价是化学反应可被以下几个基本因素所影响:(1)原材料的选择;(2)合成条件的选择;(3)反应条件的选择;(4)产品和分子目标的选择。因此,绿色化学及其技术是指能减少对人类健康和环境影响而进行的化学物质和制品的原料、生产、废弃、回收的全部循环技术,推行绿色化学的目标是要创造出一个优良的循环型经济的社会10。如图-1所示图15.当前绿色化学的主要研究内容绿色化学近年来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,如图-2所示。图-2无毒无害绿色化学根据上述主线,本文简要介绍绿色化学的研究问题。5.1原
14、子经济性(atomic economy)1991年美国著名有机化学家Trost提出“原子经济性”概念11,认为高效的有机合成应是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( 如完全的加成反应:A+BC) ,达到“零排放”(zero emission)。合成效率包括两个方面,一个是选择性(化学、区域,非对映体和对映体选择性) ;另一个是原子经济性。一个有效的合成不但要有高度的选择性,而且必须具备较好的原子经济性12。在目前的化学工业中有不少原子经济性的例子。我们可以充分利用相关化学反应的集成,即把一个反应排出的废物作为另一个反应的原料,从而通过“封闭循环”实现零排放。其中催化过程,
15、包括各种形式的化学催化和生物催化,往往是“无盐”技术,是实现原子经济反应的重要途径。例如用传统的氯醇法合成环氧乙烷,其原子利用率只有25%,而采用乙烯催化环氧化方法,仅需一步反应,原子利用率达到100%,产率99%。5.2环境友好的化学反应(environment benign technology)在传统化学反应中常常使用一些有毒有害的原料,如氰化氢(HCN) 、丙烯氰、甲醛、光气等。它们严重地污染环境、危害人类健康。绿色化学任务之一就是采用无毒无害的原料来代替它们生产各种化工产品。在代替剧毒物的光气作原料生产有机化工原料方面,Riley Manzer,Turdo,Komiya12等成功地开
16、发了新的技术,取代了光气的常规合成路线,同时实现了绿色化学的两个目标,一是不使用有毒有害的原料,二是由于反应在熔融状态下进行,不使用作为溶剂的可疑的致癌物甲基氯化物。科学家们也正在研究如何以酶为催化剂,以生物质为原料生产有机化合物。酶反应条件温和、设备简单、选择性好、副反应少、产品性质优良,又不形成污染,正在成为绿色化学的一个研究热点7。5.3反应的选择性一个好的合成路线的出发点其中最主要的是在合成设计中反应选择性的控制。有机反应的选择性包括位置选择性,化学选择性和立体选择性。反应的选择性不但与合成的效率直接相关,因为产物精确的空间结构直接影响其生理活性,而且这类反应又涉及反应的控制。近年来选择性合成,尤其是不对称合成一直是有机合成化学的中心问题,并已取得很大成就。烃类的选择性氧化13在石油化工中占有重要地位。因为这不仅造成了资源浪费和环境污
