綠色分析在化工實驗室中的作用

馮佳軒，周 川

（白銀中天化工有限責任公司，甘肅白銀 730600）

我國在最近幾年里的發展十分迅速，經濟實力不斷增長，老百姓的生活水平得到了前所未有的提高。在生活水平提高的同時，公民的整體素質也在提升，人們對環境保護變得更加重視，環保意識的增強促使人們更加積極去尋求環保無害的科學技術。化學分析的整個過程是一個化學物質排放的過程，化學分析相當于一個排放源，對化學物質進行排放處理，在綠色分析技術被應用以前，原來的樣品處理技術是十分落后的，對排放物的簡單處理是不符合綠色生產原則的，通常會有大量的具有污染性的廢氣、廢水、廢酸被排放到自然界中，周圍環境逐漸受到危害，進而導致化工分析人員的身體健康受到很大的威脅。這種處理方式與環保理念背道而馳。近些年，通過不斷探索，綠色技術不斷展現，綠色化學分析逐漸興起，綠色化學分析現已成為綠色化學學科的重要組成部分。綠色化學分析可以減輕化工生產中所帶來的污染，減少化學工藝對環境所產生的不良影響，已經成為分析化學主要的發展方向。

1 綠色化學在生活中的應用

1.1 綠色化學應用于洗滌劑

人們日常生活用到的洗滌劑在工業生產中需要保證其性能和經濟效益，除此之外，必須對環境質量有所保障。一般來說，其表面活性劑是否對人體有傷害，排放到自然環境中能否造成污染是最值得關注的問題。在綠色化學中，研究其分子的結構和性能并對其進行設計，力求生產出的洗滌劑使用效果良好、對人體無害、對環境友好。新型綠色表面活性劑的研發是現在各大生產商的主要目標。在制造新型綠色表面活性劑時應當增加烷基多苷、醇醚羧酸鹽、脂肪酸甲酯磺酸鈉、脂肪酸甲酯乙氧基化物、葡萄糖酰胺等原料的用量。

1.2 水處理中的綠色化學

如果能將一次性直流的冷卻水循環使用，將會極大節約水資源。可以通過在冷卻水中加入穩定劑，使其變成循環冷卻水，將綠色化學應用于其中，新型緩蝕劑是用鉑酸鹽代替原來的鉻酸鹽和重鉻酸鹽，用脂肪胺代替芳香胺，緩蝕劑的毒性就會極大降低，排放到自然界中也不會造成很大的污染。用聚天冬氨酸代替有機磷酸鉻和磷酸鹽也是綠色環保的方法。生活污水和工業排放的污水在經過綠色處理后，雖不可飲用，但可以用于農業生產，這樣的水稱為中水。水資源越來越緊張，通過綠色化學處理過的中水漸漸地被重視，在我國北京、上海等地先后建成了具有一定規模的中水生產裝置。

1.3 有機物合成中的綠色化學

原子經濟的概念是美國一位著名的有機化學家Trust 最先在1991年提出來的，認為有機物的合成中將每一個原子都利用起來，這種最大限度的原料利用所合成的才是高效有機物，每一個原子都與目標分子相結合，就能夠實現零排放。目前在部分大型工業品中已經能夠得到應用，如氫甲酰化反應、Ziegler-Natalie 聚合、從丁二烯和氫氰酸合成己二腈等都是原子經濟性反應的典范，如圖1所示。

圖1 原子經濟的舉例

1.4 能源中的綠色化學

生物物質如果可以作為化學反應的原料和能源，那么將極大推動綠色化學的發展，全球光是綠色植物每年可以產生的碳氫化合物就能夠達三百億t 以上，換算成可用能源相當于八萬億t 煤或八百億t 石油，這些生物物質在自然界中是十分容易被降解的，對環境保護不會構成威脅。淀粉和纖維素降解后的產物是葡萄糖，經過細菌和酶的催化后，能夠得到所需的化學物質。Texasa&m 大學的Holtzapple 教授用石灰消化處理廢棄的生物物質，再發酵后能夠得到所需有機化學物質。

2 化工實驗室中的綠色分析技術

2.1 樣品前的綠色分析技術

在化學生產中，起始原料是重要的一部分。把這一要點做好，那么綠色分析的工作就做好了一半，這一環節可以用到很多的先進技術，包括微波消解、萃取、超臨界流體的萃取等。關于微波萃取，自然界的所有物質都有著自己獨特的特點，所以不同的物質擁有著自己特定的介電常數。微波可以加強萃取，利用介電常數的不同引起的對微波能量吸收的不同，把熱能以各種強度向周圍傳遞，反應基礎原料會有選擇地吸收能量，就可以萃取出來想得到的物質，在這樣的操作中，所用到的一些設備是至關重要的，要用到微波萃取設備和能夠控制溫度的配件，極性溶劑對于萃取來說也十分重要，需要聚四氯乙烯為材料制成的制樣杯或樣品杯。這種先進的方法和原來傳統的方法相比，使用微波萃取技術所需要用到的萃取設備更為簡潔，但是萃取效率卻是高效的，應用范圍十分廣泛，它的優點有很多，節省能耗、測定過程迅速，并且污染極小。

將樣品置于微波磁場之中，在很高溫度下再加上超高壓力的作用對樣品進行消解，氧化劑的氧化能力一步步地增強作用于樣品之上，樣品表層被作用之后會出現裂痕，不斷將新的接觸表面展現出來，樣品的消減速度加快，所用的化學試劑也能最大程度地減少，節約用量，節省消減所用時間，這是微波消解處理技術的巨大優勢。最后的超臨界流體萃取也具有良好的效果，它所利用的是超臨界流體的溶劑性能，能夠將特定的目的成分進行分離，將其提取出來[5]。

2.2 分離富集技術的運用

分離富集技術是一項重大的技術，在化工實驗室中是不可或缺的，分離富集技術也是一項良好的化學綠色分析技術，固相模萃取技術和固相微萃取技術都是屬于這項技術范疇。關于固相模萃取技術，是由液至氣把水相的物質萃取成為氣相，萃取的過程一定要嚴格把關，載氣流的順序是十分重要的，它最開始要穿過的地方是水相，水相中有纖維膜細管浸入，載氣流就是從這里面通過，緊接著通過的部位是氣相色譜儀，在這個過程中，載氣流向纖維細管中一步步前進，帶入到吸附單元中進行富集，吸附完的最后一步就是進入到分析單元中進行分析。分離富集的技術功能對揮發性非極性和半揮發的有機物綠色分析十分起作用。

在20世紀下半世紀有很多的科學技術興起，固相萃取技術在20世紀的70年代被眾多科學家開發出來，所需化學樣品兩個不同相之間有著不同的分配差別，如固相和液相之間各有各的分配系數，如果所需要的是液體樣品，可以通過過濾的方法，讓樣品原料經過固體吸附裝置，那么不需要的固體成分就會被吸附去除，需要得到的被測樣品就會不斷富集。

固相吸附劑有三類，這三類分別是極性、非極性、離子交換的三相，隨著這項技術的不斷完善，原來傳統的液體和液體的萃取方法已經被其完全取代，固相萃取技術不斷進步，能夠應用領域也在不斷拓展。到了20世紀90年代，一項新的技術被開發出來，這就是固相微萃取技術的誕生，這項先進的技術集濃縮、萃取、解吸為一體，是一套完善的化學樣品處理技術。

固相微萃取技術有著更加優秀的地方，比起那些傳統的萃取方法，固相微萃取技術的靈敏度更高，裝置的體積更小，可以節省空間，使用過程的周期也很短暫。直接萃取的方式較為簡單，對氣體樣品很適用，但是也可以用來萃取純度比較高的液體樣品。頂空萃取的處理方式較為復雜，一般固態的樣品和純度不高的液態樣品都用此種方法，且十分適用。這項技術的運用，使環境樣品中易揮發的有機化學物質的測定得到了很好的技術保障，在固體、液體、氣體等各種各樣的樣品分析中被深度應用，應用范圍也越來越廣。

2.3 測試分析技術的運用

要做到全面的綠色分析，化工工藝生產的每一個環節都要緊跟步伐，在化工實驗室中有很多的地方都需要進行完善，測試技術綠色分析也應當努力做到位，現在所用到的最主要的三項可行先進測試技術分別有X 射線熒光技術、近紅外以及頂空氣相色譜分析三項技術，它們各有各的特色，這些測量技術很大程度地改變以往化學分析技術，使這些技術的運用逐步靠近綠色分析，在提高了工作效率的同時，也除去了化工實驗室所帶來的污染問題，使化工工藝的質量不斷攀升。接下來將簡要闡述X 射線熒光技術和近紅外與頂空氣相色譜技術兩大技術的應用原理。

（1）技術的優點是重現率高，測量速度快，測量范圍大，測量的精準性十分高，樣品在受到各種高能離子源和紫外線的同步照射時，所要測的樣品中的元素出現的特征是X 線特征，給予一定適宜的條件，就能發現X 線的強度和樣品中的元素含量呈某種可觀察到的線性關系，把握這種關系，就能更加直接地對樣品進行定性定量的分析。這樣的分析方法，在過程中沒有任何原料的消耗，沒有任何污染物的產生，便能清晰地掌握樣品分析的理論依據。

（2）近紅外技術的原理是利用分子振動中的非諧振性，通過這種振動，使分子從基態躍遷至高能態，這種現象記錄為含氫基團合頻與倍頻吸收，這種吸收強度是十分微弱的，樣品可以不用稀釋，直接利用原來的樣品進行測定分析，利用這個優點還能對固體粉末實施漫反射的分析。這樣的分析方法預處理是十分簡單的，在預處理過程中的優點是除去了預處理中廢液、廢渣的揮發導致的環境污染問題，在對樣品進行分析的同時是不能將樣品進行損壞的。

近紅外技術已經得到極大推廣，在化工工藝中廣受好評。與近紅外技術相對應的是頂空氣相色譜法，它是用密閉的容器來盛裝所測的易揮發樣品，將整個容器至于恒定溫度的環境之中，頂部的氣體會與所測樣品達到一個平衡狀態，將頂部的氣體取出進行色譜分析，通過這種方法，就會知道原樣品中易揮發的物質的組成含量，水質、食物、生物材料的樣品分析都離不開頂空氣相色譜技術的應用。

3 結語

我國的經濟在持續地增長，各個項目的產業都在進步，化工作為一項重要產業，其規模不斷擴大。如果僅僅只擴大規模，而不改進生產流程，那么工業生產技術所帶來的后果是極其惡劣的，長久下去是很難挽回頹勢。只有將綠色環保的理念貫徹到底，在國家政策的帶領下，實行可持續發展的方法，在化工工藝的生產中有效控制有害有毒物質的釋放，降低生產對環境質量的威脅性，才能成為新時代生產先鋒。化工化實驗室中，將綠色分析應用到底，給環境和人員健康做好維護，綠色分析已經成為現代化學分析發展的主要方向，是環境友好的重要因素。