淺談綠色化學

中國礦業大學化工學院 王夢陽 陳海麗

淺談綠色化學

中國礦業大學化工學院 王夢陽 陳海麗

本文介紹了綠色化學的基本原理及一些實現的方法，及綠色化學對未來發展的重要意義。

綠色 原子經濟 可持續

引言

綠色化學又稱環境無害化學(Environmen tally Ben ign Chem ist ry )、環境友好化學(Environmen tally F riendly Chem ist ry)、清潔化學(Clean Chem ist ry)。綠色化學即是用化學的技術和方法去減少或消滅那些對人類健康、社區安全、生態環境有害的原料、催化劑、溶劑和試劑、產物、副產物等的使用和產生。綠色化學的理想在于不再使用有毒、有害的物質, 不再產生廢物, 不再處理廢物。它是一門從源頭上阻止污染的化學。

1. 綠色化學的基本原理

綠色化學的研究主要是圍繞化學反應、原料、催化劑、溶劑和產品的綠色化開展的, 包括化學反應(化工生產)過程的四個基本要素: 一是設計對人類健康和環境危害小的、淘汰有毒的反應起始物(原材料) ; 二是選擇最佳的反應(生產) 條件, 包括溫度、壓力、時間、介質、物料平衡等,以實現最大限度的節能和零排放; 三是研究最佳的轉換反應和良性循環(含催化劑) ; 四是設計對人類健康和環境更安全的目標化合物(最終產品)。

綠色化學與傳統化學的不同之處, 首先在于它強調同其他相關學科的聯系。綠色化學的誕生, 是以20 世紀90 年代的物理科學、生命科學和工程學的成就為后盾的, 化學家已有可能用現有的知識去選擇最合適的化合物用于某一種特定的化學反應；綠色化學與傳統化學的另一重要不同之處是,綠色化學的研究以系統科學方法為基礎, 綜合考慮與環境的關系。綠色化學所關注的不僅是產品本身的小體系, 而是從一個大的角度關注包括環境在內的大的封閉系統。因此, 綠色化學本身是一個高度系統化的概念, 它的形成與實施涉及到一系列系統方法和系統過程。首先, 綠色化學作為一個新的知識體系,必然與其他科學知識體系密切交融。例如,評估某一化合物或化學過程對人體或環境的影響時, 就不能不把生理學、生物化學、地質學、環境地理學等學科包容進來。而當我們尋求新的、符合“綠色原則”的合成途徑時, 又必然涉及到不僅是化學本身,還有物理學的一系列理論問題。最后,綠色化學的社會化推廣, 顯然又會與經濟學、社會學、法學等許多專門知識和原則發生聯系。對所有這些關系的研究以及所有這些知識如何在綠色化學知識體系結構中定位,都必須有系統思想的指導。

2. 實現綠色化學的方法

2.1 開發“原子經濟”反應

原子經濟反應是原料分子中的原子百分之百地轉變成產物, 不產生副產物或廢物, 實現廢物的“零排放”(Zero em ission)。對于大宗基本有機原料的生產來說, 選擇原子經濟反應十分重要。目前, 在基本有機原料的生產中, 有的已采用原子經濟反應, 如丙烯氫甲?；贫∪⒓状剪驶拼姿?、乙烯或丙烯的聚合、丁二烯和氫氰酸合成己二腈等。另外, 有的基本有機原料的生產所采用的反應, 已由二步反應, 改成采用一步的原子經濟反應, 如環氧乙烷的生產，原來是通過氯醇法二步制備的, 發現銀催化劑后, 改為乙烯直接氧化成環氧乙烷的原子經濟反應。

原子利用率= 預期產物的分子量/反應物質的原子量之和×100 %

理想的原子經濟反應自然是原料分子中的原子百分之百地轉變成產物,而不產生副產物或廢物,實現廢物的零排放。

2.2 采用綠色的原料

為使制得的中間體具有進一步轉化所需的官能團和反應性, 在現有化工生產中仍使用劇毒的光氣和氫氰酸等作為原料。為了人類健康和社區安全, 需要用無毒無害的原料代替它們來生產所需的化工產品。

在代替劇毒的光氣作原料生產有機化工原料方面,有關方面報道了工業上已開發成功一種由胺類和二氧化碳生產異氰酸酯的新技術。一是不使用有毒有害的原料, 二是由于反應在熔融狀態下進行, 不使用作為溶劑的可疑的致癌物—甲基氯化物。

關于代替劇毒氫氰酸原料,某從無毒無害的二乙醇胺原料出發, 經過催化脫氫,開發了安全生產氨基二乙酸鈉的工藝, 改變了過去的以氨、甲醛和氫氰酸為原料的二步合成路線,并因此獲得了1996 年美國總統綠色化學挑戰獎中的變更合成路線獎。另外, 國外還開發了由異丁烯生產甲基丙烯酸甲酯的新合成路線[, 取代了以丙酮和氫氰酸為原料的丙酮氰醇法。

2.3 采用綠色的催化劑

目前烴類的烷基化反應一般使用氫氟酸、硫酸、三氯化鋁等液體酸催化劑, 這些液體催化劑的共同缺點是, 對設備的腐蝕嚴重、對人身危害和產生廢渣、污染環境。為了保護環境, 多年來國外正從分子篩、雜多酸、超強酸等新催化材料中大力開發固體酸烷基化催化劑。其中采用新型分子篩催化劑的乙苯液相烴化技術引人注目, 這種催化劑選擇性很高, 乙苯重量收率超過99. 6% , 而且催化劑壽命長。另外, 國外已開發幾種丙烯和苯烴化異丙苯的工藝, 采用大孔硅鋁磷酸鹽沸石、MCM 222 和MCM 256 新型沸石和Y 型沸石或用高度脫鋁的絲光沸石和B沸石催化劑, 代替了原用的固體磷酸或三氯化鋁催化劑。還有一種生產線性烷基苯的固體酸催化劑替代了氫氟酸催化劑, 改善了生產環境, 已工業化。在固體酸烷基化的研究中, 還應進一步提高催化劑的選擇性, 以降低產品中的雜質含量; 提高催化劑的穩定性, 以延長運轉周期; 降低原料中的苯烯比, 以提高經濟效益。異丁烷與丁烯的烷基化是煉油工業中提供高辛烷值組分的一項重要工藝, 近年新配方汽油的出現, 限制汽油中芳烴和烯烴含量更增添了該工藝的重要性。目前這種工藝使用氫氟酸或硫酸為催化劑。近年國外一家公司開發了一種負載型磺酸鹽、S iO 2 催化劑。另外, 一家公司宣稱開發成功了一種固體酸催化的異丁烷、丁烯烷基化新工藝。

采用綠色的溶劑

在無毒無害溶劑的研究中, 最活躍的研究項目是開發超臨界流體(SCF) , 特別是超臨界二氧化碳作溶劑。超臨界二氧化碳是指溫度和壓力均在其臨界點(311℃、7477179kPa) 以上的二氧化碳流體。它通常具有液體的密度, 因而有常規液態溶劑的溶解度; 在相同條件下, 它又具有氣體的粘度,因而又具有很高的傳質速度。而且, 由于具有很大的可壓縮性, 流體的密度、溶劑溶解度和粘度等性能均可由壓力和溫度的變化來調節。超臨界二氧化碳的最大優點是無毒、不可燃、價廉等。

利用可再生資源合成化學品

利用生物量(生物原料) (B iomass) 代替當前廣泛使用的石油, 是保護環境的一個長遠的發展方向。生物質主要由淀粉及纖維素等組成, 前者易于轉化為葡萄糖, 而后者則由于結晶及與木質素共生等原因, 通過纖維素酶等轉化為葡萄糖, 難度較大。有關方面曾報道以葡萄糖為原料, 通過酶反應可制得己二酸、鄰苯二酚和對苯二酚等, 尤其是不需要從傳統的苯開始來制造作為尼龍原料的己二酸取得了顯著進展。由于苯是已知的治癌物質, 以經濟和技術上可行的方式, 從合成大量的有機原料中取除苯是具有競爭力的綠色化學目標。

3. 綠色化學的未來發展

類社會在工業化社會以來的幾百年，依賴其科學技術的進步，特別是利用化學科學的成就，創造和生產出大量的化學品種、化學物質，不斷地滿足了人類社會的經濟和文化的需求，為人類的進步做出了巨大的貢獻，但在另一方面，利用化學和化學過程也對環境的污染負有一定的責任。以綠色化學為基礎，開發綠色化學技術不僅是保護生態環境的需要，也是充分利用資源、降低生產成本的需要。這對于提高我國化學工業在國際上的競爭能力、促進科技自身發展，促進我國化學工業、醫藥、農藥等相關產業的綠色化進程都有十分重要的意義。

綠色化學的思想是人類可持續發展的客觀要求，化學家在這些方面已經并將繼續作出更大的貢獻。綠色化學的誕生，體現出技術本身就具有生態價值，為人類協調自己與環境的關系提供了物質手段，為人類解決發展與環境之間的矛盾提供了前提和保證。

綠色化學是21世紀中國工業發展的核心所在，只有在充分貫徹了綠色化學的思想后才能實現可持續發展。

1. 蔡建巖，淺談綠色化學，長春大學學報，2002，2

2. 閔恩澤，傅軍，綠色化學的進展，化學通報，1999，1

3. 方芳，吳勇，綠色化學的進展，安徽化工，2001，3

王夢陽，中國礦業大學化工學院 應用化學專業學生；

陳海麗，中國礦業大學化工學院化學工程與工藝專業學生。