智能技術在綠色化工中的應用

姚建華　徐雯麗　蔣舒仰　黃迎胡　靜李佳

中國科學院上海有機化學研究所（上海　200032）

節能環保

智能技術在綠色化工中的應用

姚建華徐雯麗蔣舒仰黃迎胡靜李佳

中國科學院上海有機化學研究所（上海200032）

編者按：

中科院有機所姚建華科研團隊針對綠色化工生產模式開展了大量的研究工作，將智能技術應用于綠色化工的產品設計、化學品危險和危害預警中，本刊將認真地介紹這方面的進展，發表一系列的論文，以饗讀者。同時，希望廣大讀者也能就這方面的工作發表自己的研究成果，共同推動化工領域的智能管理、智能設計和智能制造。

現代生活中，化工產品與人們的日常生活密切相關。傳統化工的生產模式會對環境、人類健康和生活安全產生不利影響，而綠色化工生產模式可有效降低傳統化工生產帶來的環境污染，以及對人類健康的危害性。綠色化工生產模式涉及綠色化學、智能技術、生產工藝、廢棄物處理、環境保護、事故防范與處理等多個方面。智能技術已在制造業（如汽車、飛機、家電和紡織等），數據分析，商務和建筑等領域得到實際應用，并顯示出了其獨特的優勢。介紹了智能技術在綠色化工的化學品設計、化學品危險和危害預警中的應用。

綠色化工智能技術計算機模擬與仿真環境保護事故預警與處理

0　前言

眾所周知，化學工業在國家的經濟和國防建設中有著舉足輕重的地位，化工產品與人類的日常生活密切相關。其中，生產和使用量較大的化工產品有：聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、聚酯、尼龍丙烯酸樹脂等聚合物；鹽、氯氣、燒堿、硝酸、磷酸、硫酸、二氧化鈦和過氧化氫等無機化工產品；磷酸鹽、氨氣和碳酸鉀等化肥；藥品、診斷用品、動物健康產品和農藥等生命科學用化工產品；工業氣體、膠黏劑和密封劑及涂料、工業和清潔化學品、食品添加劑、香精香料、特種涂料、印刷油墨、水溶性聚合物和催化劑等特種化工產品；肥皂、洗滌劑和化妝品等日用化工產品。

隨著相關學科和技術的發展，以及經濟和國防建設對產品需求的不斷提升，化工產品的生產，逐漸從最初的手工作坊式生產發展為規模化生產；從以經驗或半經驗為主要技術手段的階段，逐步進入以相關學科理論為依據，建立并采用機電一體化設備、半自動或全自動化技術，實現生產過程和產品質量可控的階段；從只關注產品的性能，逐步轉變為關注化工產品的生產、存儲和銷售等全部環節，例如生產過程中的廢棄物處理，生產過程的環境友好性及安全性，化工產品的獲得率、性能及安全性，化工產品運輸和儲存的安全性等。由此可見，化學工程是一門涉及物理、生命科學、應用數學和經濟學等諸多學科，關注化工產品的生產、運輸、存儲和市場等方面的學科。

傳統化工生產模式主要根據設計者的經驗，設計化工產品的生產方案和流程，且大多只注重化工產品的得率和純度要求，對于生產過程的環境友好性和安全性、運輸及存儲的安全性關注較少。隨著化工產品生產規模的不斷擴大，人們對健康、環境保護和安全性的需求不斷增加，以經驗為依據的傳統化工生產模式，已顯示出其明顯的不足。為此，人們希望采取一些策略和新技術，彌補傳統化工生產模式的不足。

20世紀90年代，“綠色化學”的理念開始在歐洲和美國出現，最初只是以“清潔”和“可持續”來表述。隨著對其理解的不斷加深，美國環保署從環保的角度，將綠色化學定義為：減少或排除使用或產生有害物質的化學產品及其生產工藝的設計。

維基百科網站對綠色化學的定義為：綠色化學是一種化學研究和化學工程的哲學，它促使人們以盡量減少使用和產生有害物質為目的，開展化學產品及其生產工藝的設計。綠色化學旨在從源頭上防止污染，以減少化學對環境的負面影響。它適用于有機化學、無機化學、化學、分析化學、物理化學、化學工程等領域，其重點是在化學產品及其生產工藝的設計中，使危害性最小化和有效性最大化。

從內容上來看，綠色化學主要包含四大類核心內容：

（1）采用原料使用率最大化的生產工藝設計；

（2）盡可能使用安全和環境友好的化學物質；

（3）設計高效節能的工藝；

（4）從源頭上不要創造廢棄物是對廢棄物最好的處置方法。

綠色化學的12條原則是在上述四類核心內容的基礎上擴展和細化而來的。

綠色化工是綠色化學在化工中的應用，即在化工產品生產過程中，從工藝源頭開始便運用環保的理念，推行源消減，進行生產過程的優化集成，注重廢物再利用與資源化，從而降低成本與消耗，減少廢棄物的排放和有毒物質的產生，降低產品全生命周期對環境的不良影響。

可見，與傳統的化工生產模式相比，綠色化工的實現和應用，將更有益于國家的經濟和國防建設，其對人類健康和環境產生的不良影響更小。

要實現綠色化工，除了需要實現傳統化工的技術和方法，還需要智能技術。本文將介紹智能技術在綠色化工的化學品設計，以及化學品的危險和危害預警中的應用。

1　智能技術

智能（或人工智能）技術是為了有效地達到某種預期的目的，利用知識所采用的多種方法和手段[1]，如人工智能方法、計算機技術和信息技術等。曹承志教授在其《人工智能技術》[2]一書中，比較全面地講解了智能技術所包含的主要內容，如智能控制、知識表示、知識推理、模糊邏輯、神經網絡和機器學習等方法和技術。

事實上，智能技術在化學研究領域已得到應用，并已形成了對應的學科——化學信息學，它是利用信息學方法和技術，解決化學問題的學科[3]。其中，化學問題主要涉及三個方面：分子設計、合成設計和結構確定。化學信息學的方法主要有三種：基于數據（D）、基于邏輯（L）和基于原理（P）。基于數據，即建立多種數據庫管理系統和數據庫，在化學研究工作中利用已收錄的數據；這種方法適用于獲取已報道的信息。基于邏輯，即采用歸納、推理和分類等數據分析方法，將數據庫中的數據轉化為知識，并對知識實施有效的管理，以便于將知識合理地應用于化學研究工作；這種方法適用于處理大批量的對象。基于原理，即采用量子化學的理論計算方法，計算化合物的相關性質；這種方法通常被用于機理研究[4]。

VIKTOR博士等[5]預言，大數據將改變人類探索世界的方法。在小數據時代，人們會假想世界是怎么運作的，然后通過收集數據來驗證這種假想。在不久的將來，人們會在大數據的指導下探索世界，而不再受限于各種假想。人們的研究對象是數據，通過數據，人們發現了以前不曾發現的關系。這將是發現知識的有效途徑。

2　智能技術在綠色化工中的應用

綠色化工的實現，與化工生產中的每個環節都密切相關，如化學品設計、化學品運輸與儲存、產品生產工藝、產品生產過程中的廢棄物處理和利用、生產設備自動化和維護等。

本文將介紹智能技術在化學品設計、化學品的危險和危害預警中的應用。

2.1化學品設計

化學品設計的本質是分子設計，它是綠色化工的源頭，即只生產具有特定功能，但對人類健康和環境無負面影響的化學品。傳統的分子設計模式，主要依靠靈感和經驗，設計工作的流程如圖1所示。現代的分子設計模式，既充分利用靈感和經驗，又將化學信息學方法和技術應用于分子設計工作，其工作流程如圖2所示。

圖1與圖2所示的兩種工作流程的主要區別為：后者在合成化合物之前，增加了應用智能技術預測化合物性質的步驟，這些性質與化學品功能，以及對人類健康和環境產生的不利影響等因素相關。從理論上來講，這種工作模式得到的化學品符合要求的概率將比圖1的工作模式高。顯然，后者體現了綠色化學的一個核心理念：從源頭上不要創造廢棄物是對廢棄物最好的處置方法。

圖2　現代分子設計模式的流程

目前，現代分子設計模式已被應用于醫藥、農藥、材料、環境等領域的化合物設計、污染物確認等工作中。在農業生產中，通常使用農藥來保護農作物生長，同時，農藥還被用于農產品儲存領域。因此，人們不僅要關注農藥化合物本身的生物活性、對環境和人類健康的影響，同時還必須關注它們的代謝物及其對環境和人類健康的影響。在此，將介紹利用現代分子設計模式開展的工作：（1）苯丙酮肟醚類化合物的設計與優化[6]；（2）除草劑莠去津（ATR）的代謝物毒性預測[7]。

2.1.1苯丙酮肟醚類化合物的設計與優化

為尋找高活性的瓜類白粉病抑制劑，以3－取代氨基－1－芳基丙酮－1肟與鹵代烴反應，設計并合成了一系列苯丙酮肟醚類化合物。將該系列化合物的生物活性[Act.(Obs.)]測定結果作為定量構效關系（QSAR）研究的基本數據，并建立了用于指導結構優化的CoMFA和CoMSIA模型[8-10]。利用這兩個模型，優化模型中的化合物結構，得到新化合物，并預測它們的結構活性[Act.(Pre.)]；利用自主研發，且具有自主知識產權的疏水常數（log P）、致癌毒性（Car. T.）和致突變毒性（Mut.T.）預測系統，預測新化合物的疏水常數、致癌毒性和致突變毒性。本工作的流程示意圖如圖3所示，生物測試與預測的結果如圖4所示。根據預測結果，有選擇地合成其中兩個預測活性較高的化合物，對活性的生物測試結果顯示，生物測試結果與預測結果相符。

圖3　苯丙酮肟醚類化合物設計與優化研究流程圖

圖4　新化合物預測與生物測試的結果

以上的工作內容和結果表明，現代分子設計模式既充分利用了已有的實驗結果，又將現代信息技術融入到分子設計和優化工作中。技術人員可以在化合物合成之前獲得化合物的相關信息，這將有助于提高研究效率，減少盲目性，同時體現了綠色化學的一個核心理念：從源頭上不要創造廢棄物。

2.1.2除草劑莠去津的代謝物毒性預測

莠去津［CAS號（美國化學文摘登記號）：1912-24-9，化學結構式如圖5所示］是目前世界上產量最大的除草劑品種之一[11]。它的急性毒性（大鼠經口）半數致死量（LD50）為2 000μg/g，屬于低毒物質；AMES（致突變毒性，鼠傷寒沙門氏菌模型）呈陰性[12]，但對人類的致突變毒性為陽性[13]；根據RTECS（化學物質毒性作用登記數據庫）標準，它被確定為致癌物[14]。實驗結果顯示：（1）長期接觸莠去津將明顯增加患癌癥的可能性，并導致內分泌失調；（2）在水環境中，即使是低濃度的莠去津也會對兩棲動物產生明顯的生殖毒性[15]。

作為商業除草劑，莠去津本身對環境和人類健康的影響已得到重視和關注，但對莠去津受環境因素影響，而產生的其它物質（即代謝物）對環境或人類的不利影響的關注度還有待提高。當代謝物量不多時，其對環境或人類的不利影響不明顯，不能及時被發現。人們或管理層，通常會在不良影響變得明顯時，才開始關注其原因或來源。為了盡早了解莠去津可能的代謝物及代謝物對環境和人類的潛在不利影響，可以采用化學信息學方法和技術，從相關的信息系統中，查詢已有的實驗報道；如果沒有報道，可以采用預測技術，預測它的代謝物。圖5是莠去津的代謝過程及其代謝物。利用化合物致癌毒性、致突變毒性和急性毒性預測系統，預測代謝物的致癌毒性、致突變毒性和急性毒性。表1列出了對莠去津部分代謝物的預測結果。

表1中的數據顯示，預測結果與實驗結果相符。對于沒有實驗結果的化合物，預測結果是實驗結果的補充，可以為制定對應的預警和管控措施提供支撐信息。

2.2化學品的危險和危害預警

圖5　莠去津代謝圖[11]

表1　莠去津及其部分代謝物的毒性

化學品在人們的日常生活、國家的經濟建設及安全保障中發揮其重要作用的同時，也存在著不可忽視的危害和危險性。隨著現代合成方法和技術的發展，新化合物數量的增長速度在加快。目前，美國SCIFINDER數據庫收錄的化合物數量已達1.14億種，而在2004年，該數據庫收錄的化合物數量僅約為2400萬種。由于獲取化學品的危險和危害性的實驗耗費高（時間、費用）且危險性大，已獲得的實驗數據極少。例如，目前已有致癌毒性實驗數據報道的化合物數量不足20萬種，只占已知化合物數量的1.8‰。因此，僅僅依靠實驗這一種渠道獲得依據，并制定相關指標，其效率是非常低的。由于相關指標的缺失，化學品的危險和危害預警效率較低，當然，其中還有其它因素的影響。

續表

從本質上來講，化學品的危害性或危險性與化合物的某個或某些性質有關。化學信息學中的基于數據和基于邏輯的方法，是化學領域的一種智能技術，可用于管理已有的實驗數據，提高實驗數據的使用效率。此外，利用數據挖掘方法和技術，分析已有的實驗結果，發現隱含的知識，并利用知識推理方法，預測與化合物危險和危害性相關的性質，所得預測結果可為制定預警及應急預案提供技術信息。在此，以三乙基鋁為例，介紹利用化學信息學方法和技術，制定對應的應急處理方案的方法。

在本應急處理方案中，主要包含以下七類信息：化合物基本信息；燃燒爆炸原因；燃燒爆炸產生的物質；消防措施；環保措施；人員防護措施；后續應急處置事項。

2.2.1化合物基本信息

利用信息查詢，從已有的數據庫中，獲得三乙基鋁的基本信息。

化學品名稱：三乙基鋁；Aluminum，triethyl-；Triethylaluminium。

CAS號：97-93-8。

化學結構式：

（1）極度易燃，具強腐蝕性、強刺激性，可致人體灼傷。

（2）化學反應活性很高，接觸空氣會冒煙自燃。

（3）對微量的氧及水分反應極其靈敏，易引起燃燒爆炸，產生氫氧化鋁、烷烴氣體等物質。

（4）與酸、鹵素、醇、胺類接觸會發生劇烈反應。

（5）遇水強烈分解,放出易燃的烷烴氣體和氫氧化鋁。

2.2.2燃燒爆炸原因

利用信息查詢，從已有的數據庫中，獲得引起三乙基鋁發生燃燒爆炸的原因信息。

（1）自燃。

（2）泄漏后與水、氧氣接觸發生爆炸燃燒。

（3）其它（待進一步收集）。

2.2.3燃燒爆炸產生的物質

利用信息查詢，從已有的數據庫中，獲得三乙基鋁燃燒爆炸后產生的物質的信息；采用反應預測方法，預測可能的產物。

（1）自燃產物、危害及防護

一氧化碳：易燃易爆，對環境有危害，對水體、土壤和大氣可造成污染；對健康有害，需作防護。

二氧化碳：對健康有害，需作防護。

氧化鋁：非危化品，但吸入過多時，可能造成刺激或肺部傷害。

（2）泄漏后與水、氧氣接觸后的爆炸燃燒產物、危害及防護

烷烴（危化品，易燃易爆）：甲烷：易燃、高濃度時對人體有害，適當防護；乙烷：易燃易爆，避免與氟、氯等接觸，防止大量吸入；

己烷：易燃易爆，具刺激性，防止吸入；

……

氫氧化鋁：非危化品，但對眼睛有刺激性，需作防護。

2.2.4消防措施

利用信息查詢，從已有的數據庫中獲得對應的處理方法。

（1）自燃：采用干粉、干砂滅火，建議采用D類干粉；禁止用水和泡沫滅火。

（2）泄漏后與水、氧氣接觸發生爆炸燃燒：對于小火，采用二氧化碳和干粉進行滅火；對于大火，采用干砂進行滅火；建議采用D類干粉；禁止用水和泡沫滅火。

2.2.5環保措施

利用信息查詢，從已有的數據庫中獲得對應的環保措施。

（1）自燃：燃燒后產生的一氧化碳對環境有危害，應特別關注地表水、土壤、大氣和飲用水的指標。

（2）泄漏后與水、氧氣接觸發生爆炸燃燒：關注甲烷、乙烷等烷烴類化合物在地表水、土壤、大氣和飲用水中的指標，以及魚類和水生生物的狀況；可用焚燒法處置。

2.2.6人員防護措施

利用信息查詢，從已有的數據庫中獲得對應的人員防護措施。

（1）自燃：防止吸入燃燒后的氧化鋁粉塵；防止一氧化碳和二氧化碳的吸入。

（2）泄漏后與水、氧氣接觸發生爆炸燃燒：防止烷烴類氣體吸入；注意眼睛防護，防止氫氧化鋁對人眼睛的刺激；如發生大量泄漏，應考慮沿最初下風向撤離至少800m；火災火場內如果有儲罐、槽車或罐車，應四周隔離1600m，并考慮初始撤離1600m。

2.2.7后續應急處置事項（燃燒后危害產物）

利用信息查詢，從已有的數據庫中獲得對應的方法。

（1）自燃

一氧化碳（高溫易燃）：

消防：采用二氧化碳，干粉（非強氧化劑、堿類）作為滅火劑；

環保：關注地表水、土壤、大氣和飲用水的指標。

二氧化碳：

消防：無；

環保：關注地表水、土壤、大氣和飲用水的指標。

（2）泄漏后與水、氧接觸發生爆炸燃燒

烷烴（危化品，易燃易爆）：

消防：采用二氧化碳，干粉，沙土（非強氧化劑、堿類）作為滅火劑；

避免接觸物：氧化劑類化合物，如五氧化溴、氯氣、次氯酸、三氟化氮、液氧、二氟化氧和氟氣等；

環保：關注地表水、土壤、大氣和飲用水的安全指標，以及魚類和水生生物狀況。

在制定三乙基鋁應急處理方案的過程中，工作人員使用了信息查詢（基于數據）、反應預測（基于邏輯）技術。信息系統的建立與維護在此顯示出其特有的重要性及作用。預測技術是對信息系統中數據的再加工和再利用，預測結果是對實驗數據的補充，其重要作用顯而易見。

3　結語

本文簡要介紹了智能技術在綠色化工的化學品設計、化學品危險和危害預警中的應用。化學信息學方法和技術是化學領域的一種智能技術。其中，基于數據的方法，可提高已有實驗數據的使用效率；基于邏輯的方法，既有效利用了已有的實驗數據，又可從數據中獲得知識，并利用知識進行推理，實現對化合物性質的預測。預測技術是對數據庫信息的一種有效擴充。

隨著計算機科學與技術、信息科學的發展，智能技術將有效促進傳統化工向綠色化工的發展，實現化工領域的智能管理、智能設計和智能制造。

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App lication of Intelligent Technology in Green Chem ical Industry

Yao Jianhua Xu Wenli Jiang Shuyang Huang Ying Hu Jing Li Jia

In modern life,chemical products are closely related with our life.The traditional chemical production patterns have adverse effects on environment,human health and life safety,and green chemical production pattern will effectively reduce the environmental pollution and human health hazard which are caused by traditional chemical production.The green chemical production pattern is related to green chemistry,intelligent technology,production process,waste treatment,environmental protection,prevention and treatment of accidents and so on.Intelligent technology has been applied in manufacturing(such as automobile,aircraft,household appliance and textile and so on),data analysis,business and architecture,and it has shown unique advantages.The applications of intelligent technology in the design of chemicals,early warning of risk and hazard of chemicals in green chemical industry are introduced.

Green chemical industry;Intelligent technology;Computermodeling and simulation;Environmental protection;Prevention and treatmentof accident

TQ 015.9

國家973項目（2010CB126103）；國家環保部公益性項目（200709046）

姚建華女1963年生博士研究員研究方向為化學信息學方法與應用

2016年7月