綠色化學的應用研究

肖佳薇 朱團 潘亮 王雙鳳 寇盟

摘 要：綠色化學是現今化學發展的主要方向。在綠色化學研究中，應充分利用可再生資源，其中以無污染的物質為原料、酶為催化劑，生產有機化合物，因其條件溫和、設備簡單、選擇性好、無污染，已成為綠色化學研究的重點之一，具有良好的開發前景。利用原子經濟反應進行綠色設計，采用無毒、無害的原料和環境友好或可循環使用的新材料等，以及對能源工業中汽油的改造和造紙工業中的優化降解法研究，均取得了可喜的進展，并可對環境保護產生有益的、深遠的影響。通過對綠色化學的應用研究，我們不但要有能力去發展新的、對環境更友好的化學，以防止化學污染，而且要讓年輕的一代了解綠色化學、接受綠色化學，為環境經濟做出應有的貢獻。

關鍵詞：綠色化學應用；環境；三廢

化學工業的發展對人類的生活有著一定的改善，但也造成了一部分的環境污染，使之成為人類面臨的巨大問題。萬事萬物都是雙刃劍，有利即有弊，最終要靠人類的智慧使其向著有利于人類生活的方向進展。一些重大的環境污染事件多數與化學有關，但也不全是化學造成的。現在人類面臨的環境問題有全球變暖，冰川融化，海平面上升，臭氧層被破壞，生物多樣性的減少，酸雨的蔓延，森林的銳減，土地荒漠化，全球大部分面臨沙漠化，水體及海洋污染，垃圾圍城等等。其中森林的減少，生物多樣性的減少，是人類濫捕濫伐的結果，與化學無關。在最早期的化學工藝流程里面，人們沒有意識到，沒有考慮到廢氣和廢渣的處理，大部分的化學生產工藝都伴隨著廢氣廢水廢渣的產生，從而使化學對環境造成污染。綠色化學正是基于人與自然和諧的可持續發展的理論之上，其研究所追求的目標是：舍棄有毒的原材料從源頭上消除污染，探求嶄新的合成路線，使其產率更大，向人類所需的方向發展、采用無污染的反應過程和工藝，能最大限度地減少三廢，并實行原材料篩選-產品生成-產品使用-循環再利用的“全過程控制”。綠色化學技術的發展和應用不但能提高生產效率和優化產品，而且也能提高資源和能源的利用率，減輕污染，從而大幅度提高生產的環境和經濟效益。因此，綠色化學的技術推廣應用使環境與經濟性成為技術創新的主要推動力。近些年來，綠色化學在物質的利用、原子經濟工藝設計等諸多領域取得了一系列重大研究成果。

1 綠色化學

綠色化學的定義是：應用化學的技術、原理和方法去解決對人體健康、安全和生態環境有毒有害的化學污染，因此也稱環境友好化學或潔凈化學。其核心內容之一是“原子的經濟性”，即百分之百的利用反應物中各個原子，因而不但能充分利用資源，而且也能防止化學污染。用原子利用率衡量反應的原子經濟性，為高效的有機合成應最大限度地利用原料分子的每一個原子，使之結合到目標分子中，達到零排放。綠色有機合成應該是原子經濟性的。原子利用率越高，反應產生的廢棄物越少，對環境造成的污染也越少。綠色化學的核心內容之二，其內涵主要體現在五個“R”上：第一是Reduction-“減量”，即減少“三廢”排放；第二是Revuse-“重復使用”，諸如化學工業過程中的催化劑、載體等，這是降低成本和減廢的需要；第三是Recycling-“回收”，可以有效實現“省資源、少污染、減成本”的要求；第四是Regeneration-“再生”，即變廢為寶，節省資源、能源，減少污染的有效途徑；第五是Rejection-“拒用”，指對一些無法替代，又無法回收、再生和重復使用的，有毒副作用及污染作用明顯的原料，拒絕在化學過程中使用，這是杜絕污染的最根本方法。

2 綠色化學的應用

綠色化學的應用包括對醫藥、農藥等精細化學品的“原子經濟”反應；大型石油化工品的綠色化技術的發展；新的或非傳統的“潔凈”反應介質的開發利用；可再生物質資源生產大型有機化工品和超清潔生物柴油的生產；廢合成材料的回收利用等等。在化學制藥工藝方面為了減少污染進行重新設計少污染或無污染的生產工藝，盡可能選用無毒或低毒的原輔材料來代替有毒或劇毒的原輔材料，以降低或消除污染物的毒性；優化工藝條件，改進操作方法，在生產工藝確定的前提下，從改進操作方法入手，減少或消除污染物的形成；采用新技術顯著提高生產技術水平同時也十分有利于污染物的防治和環境保護；進行循環套，以為反應往往不完全，因此分離母液常含有一定數量的未反應的反應原料，可以通過工藝設計任意周密而細致的安排實現反應母液的循環套用或經適當處理后套用，可節約原料，提高產率，可減少環境污染；從排放的廢棄物中回收有價值的物料，進行綜合利用。改進生產設備，加強設備管理。

2.1 開發“原子經濟”反應

化學反應的“原子經濟性”則是指在化學反應中究竟有多少原料的原子進入到產品之中。我們常用原子利用率來衡量化學過程的原子經濟性。在合成反應中，要減少廢物排放的關鍵是提高目標產物的選擇性和原子利用率，即化學反應中，到底有多少反應物的原子轉變到了目標產物中。

開發新的原子經濟反應已成為綠色化學研究的熱點之一。1997年的新合成路線獎的獲得者BCH公司的工作即是一個很好的例證。該公司開發了一種合成布洛芬的新工藝（布洛芬是一種廣泛使用的非類固醇類的鎮靜、止痛藥物），傳統生產工藝包括6步化學計量反應，原子的有效利用率低于40%，新工藝采用三步催化反應，原子的有效利用率達80%，如果再考慮副產物乙酸的回收利用，則原子利用率達到99%。此外還有一個生產聚氨酯塑料的重要原料之一是環氧丙烷，傳統上主要采用二步反應的氯醇法，不僅使用可能帶來危險的氯氣，而且還產生大量污染環境的含氯化鈣廢水，國內外均在開發催化氧化丙烯制環氧丙烷的原子經濟反應新方法。

2.2 采用無毒、無害的原料

盡可能選用無毒或低毒的原輔材料來代替有毒或劇毒的原輔材料，以降低或消除污染物的毒性。但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。

2.3 采用無毒、無害的催化劑

近年來越來越多利用雜多酸代替濃硫酸做催化劑，雜多酸是由不同的含氧酸縮合而制得的縮合含氧酸的總稱，是強度均勻的質子酸，并且有氧化還原的能力。雜多酸H3PW12O40通過改變分子組成，可調節酸強度和氧化還原性能。它不但具有很高的催化活性和酸性，而且穩定性好，是一種多功能的新型催化劑，可作均相及非均相反應，甚至可作相轉移催化劑，對環境無污染，是一類大有前途的綠色催化劑。

2.4 采用無毒、無害的溶劑

大量的與化學品制造相關的污染問題不僅來源于原料和產品，而且源自在其制造過程中使用的物質。最常見的是在反應介質、分離和配方中所用的溶劑。當前廣泛使用的溶劑是揮發性有機化合物（VOC）。其在使用過程中有的會引起地面臭氧的形成。有的會引起水源污染。因此。需要限制這類溶劑的使用。采用無毒無害的溶劑代替揮發性有機化合物作溶劑已成為綠色化學的重要研究方向。

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（3llC、7477.7gkPa）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。

除采用超臨界溶劑外。還有研究水或近臨界水作為溶劑以及有機溶劑/水相界面反應。采用水作溶劑雖然能避免有機溶劑，但由于其溶解度有限，限制了它的應用，而且還要注意廢水是否會造成污染。在有機溶劑/水相界面反應中。一般采用毒性較小的溶劑（甲苯）代替原有毒性較大的溶劑，如二甲基甲酰胺、二甲基亞砜、醋酸等。采用無溶劑的固相反應也是避免使用揮發性溶劑的一個研究動向，如用微波來促進固、固相有機反應。

2.5 利用可再生的資源合成化學品

利用生物量（生物原料）（Biomass）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。1996年美國總統綠色化學挑戰獎中的學術獎授予TaxaA大學M·Holtzapp教授，就是南于其開發了一系列技術。把廢生物質轉化成動物飼料、工業化學品和然料。

物質主要由淀粉及紆維素等組成。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，通過纖維素酶等轉比為葡萄糖。難度較大。Frost報道以葡萄糖為原料，通過酶反哎可制礙己二酸、鄰苯二酚和對苯二酚等。尤其是不需要從傳統的苯訐始采制運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韌質，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。

2.6 環境友好產品

在環境友好產品方面。從1996年美國總統綠色化學挑戰獎看，設計更安全他學品獎授予RohmHaas公司。由于其開發成功一種環境友好的海洋生物防垢劑。小企業獎授予Donlar公司。因其開發了兩個高效工藝以生產熱聚天冬氨酸，它是一種代替丙烯酸的可生物降解產品。

柴油是另一類重要的石油煉制產品。對環境友好柴油。一是要有性能優異的深度加氫脫硫催化劑；二是要開發低壓的深度脫硫/芳烴飽和工藝。國外在這方面的研究已有進展。

3 綠色化學在處理工業三廢中的應用

任何一項工業所排放的廢料量都沒有化學工業排放的多，化學工業所排放的廢料總量甚至超過了其他行業排放的總和。綠色化學的科研工作主要是圍繞化學反應、原材料、催化劑、溶劑和產品的綠色化工展開的，達到從源頭上盡量減少甚至杜絕化學化工生產中對環境污染，實現三廢的零排放。化學工業排放的污染物通常具有毒性、刺激性和腐蝕性，在污染物中，以廢水的量最大，種類最多，危害最嚴重，對可持續發展的影響也最大。過程中還產生大量的廢氣、廢渣并產生一定的噪聲，因此加強三廢處理尤為重要。必須采用科學的處理方法對其進行處理。如：用地球磁能和大自然產生的雷電的電能等代替現用的污染能源，這樣就可以有效的從源頭解決工業三廢對環境的污染。綠色化學可以從源頭上解決污染問題，實現零排放。

3.1 工業三廢的來源及特點

化學工業廢水主要來源于工業生產過程，其中含有種類繁多的有機物、金屬及廢酸廢堿等。生產過程本身大量使用各種化學原料，但由于多步反應，原料利用率低，大部分隨廢水排放，對環境影響大。該類廢水的水質差并且排放量多，其中含有許多有機物，難降解物和微生物生長抑制劑等。

廢氣主要為機械過程所產生的粉塵，以及鍋爐燃燒所產生的煙塵。廢氣中主要含固體懸浮物，無機污染物，有機污染物廢氣。這類廢氣通常會導致溫室效應，空氣質量降低，對人類身體產生危害。

化學工業的廢渣在生產過程中，每一步環節都會產生。工業廢渣會破壞環境衛生，污染水和空氣等。廢渣有高爐礦渣、鋼渣、煤灰、硫鐵灰、電石渣、赤泥、白泥、洗煤泥、硅錳渣、鉻渣等，這些也是一種資源，要想方設法利用，以開辟新的原料來源，減少對環境的污染。

總結其來源具體有以下幾點，其一，工藝反應不完全產生的廢料。工業生產過程中，一般的反應轉化率只能達到70%～80%，未反應完的原料一部分可以回收再利用，但最終有一部分因回收不完全或不可回收而環節轉入廢水、廢氣或廢渣中。其二，副反應所產生的廢料。工業生產再進行工藝主反應的同時，往往還伴隨著一些副反應，副反應的產物數量一般較少，有些可以回收，但有些成分復雜，回收困難或回收費用很大，因此，只能將其作為廢料排棄。其三，工業物料儲存、運輸以及生產過程中的“跑”、“冒”、“滴”、“漏”現象，不僅會造成經濟損失，而且也可能造成嚴重的污染。其四，許多生產工藝中都需要大量的冷卻用水，如煉鋼、煉油等。冷卻的方式一般有直接冷卻和間接兩種，直接冷卻是使冷卻水直接與冷卻的物料接觸，很容易成為工業廢水；間接冷卻的冷卻水雖然不與物料直接接觸，但因為其中往往需要加入防腐劑、殺藻劑等化學物質，故也受到一定的污染，但間接冷卻水相比其他工業廢水較為清潔，可通過一定的處理后循環使用。

3.2 當前工業三廢處理方式及存在的不足

工業企業一般避免布置在城鎮居民區的上風向和水源上游；一些污染較大的工業如冶金、化工、造紙要遠離城市中心；大工業企業與生活區間要有適當的隔離帶以減少環境污染的影響等。大力采用無污染或少污染的新工藝、新技術、新產品，開展“三廢”綜合治理，是防治工業“三廢”污染，搞好環境保護的重要途徑之一。不同物質會有不同影響，三廢治理不是一兩句話能說清楚。廢氣、廢水、廢渣種類各有不同。以固體廢棄物來說就分為危廢和一般廢物，危廢處理方法一般是焚燒或者是深度填埋等，填埋場的要求很高，建一個大型的填埋場要幾個億投資。

由此我們可以看出，現在三廢處理耗費的人力、物力等都特別大，并且得不到好的效果。其特點：一、不能從源頭上解決，生產過程中還會產生；二、沒有有效的將三廢重新利用變廢為寶。

3.3 應用綠色化學處理工業三廢的方法

用新型的能源代替有污染的能源，現有的新型能源如太陽能、風能、潮汐能等已經被人們開發利用。但是大自然存在很多豐富的資源還有待開發。我們經過調查分析研究認為雷電、地球磁場存在著很大的開發利用價值。將雷電和地球磁場利用某些技術轉化成我們需要的能源從而可有效的從源頭解決“三廢”對于環境所造成的污染問題。

4 結束語

綠色化學在獲得物質的轉化過程中充分利用原料中的每一個原子，實現“零排放”，因此既可以充分利用有限的資源，又不會產生污染。傳統化學向綠色化學的轉變可以看作是化學從“粗放型”向“集約型”的轉變。綠色化學充分體現了能源節約型和環境友好型。減少了工廠上“三廢”排放，消除污染物的形成；顯著提高生產技術水平同時也十分有利于污染物的防治和環境保護。降低成本和循環利用，變廢為寶，使經濟效益大大提高。綠色化學已在全世界發展，不但有重大的社會、經濟、環境效益，而且也說明了化學的負面作用是完全可以避免的，顯現了人類的自我保護性。綠色化學體現了化學科學、技術與社會的相互聯系和相互作用，是化學科學高度發展以及社會對化學科學發展的作用的產物，對化學本身而言是一個新的歷史。作為新世紀的一代，不但要有能力去發展新的、對環境更友好的化學，以防止化學污染；而且要讓年輕的一代了解綠色化學、接受綠色化學、為綠色化學做出應有的貢獻。

參考文獻

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通訊作者簡介：朱團（1969-），男，畢業于東北師范大學化學系，黑河學院物理化學系副教授，主要研究方向為有機化學教學與實驗研究。