淺談綠色化學(xué)

中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院 王夢陽 陳海麗

淺談綠色化學(xué)

中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院 王夢陽 陳海麗

本文介紹了綠色化學(xué)的基本原理及一些實(shí)現(xiàn)的方法，及綠色化學(xué)對未來發(fā)展的重要意義。

綠色 原子經(jīng)濟(jì) 可持續(xù)

引言

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

1. 綠色化學(xué)的基本原理

綠色化學(xué)的研究主要是圍繞化學(xué)反應(yīng)、原料、催化劑、溶劑和產(chǎn)品的綠色化開展的, 包括化學(xué)反應(yīng)(化工生產(chǎn))過程的四個(gè)基本要素: 一是設(shè)計(jì)對人類健康和環(huán)境危害小的、淘汰有毒的反應(yīng)起始物(原材料) ; 二是選擇最佳的反應(yīng)(生產(chǎn)) 條件, 包括溫度、壓力、時(shí)間、介質(zhì)、物料平衡等,以實(shí)現(xiàn)最大限度的節(jié)能和零排放; 三是研究最佳的轉(zhuǎn)換反應(yīng)和良性循環(huán)(含催化劑) ; 四是設(shè)計(jì)對人類健康和環(huán)境更安全的目標(biāo)化合物(最終產(chǎn)品)。

綠色化學(xué)與傳統(tǒng)化學(xué)的不同之處, 首先在于它強(qiáng)調(diào)同其他相關(guān)學(xué)科的聯(lián)系。綠色化學(xué)的誕生, 是以20 世紀(jì)90 年代的物理科學(xué)、生命科學(xué)和工程學(xué)的成就為后盾的, 化學(xué)家已有可能用現(xiàn)有的知識(shí)去選擇最合適的化合物用于某一種特定的化學(xué)反應(yīng)；綠色化學(xué)與傳統(tǒng)化學(xué)的另一重要不同之處是,綠色化學(xué)的研究以系統(tǒng)科學(xué)方法為基礎(chǔ), 綜合考慮與環(huán)境的關(guān)系。綠色化學(xué)所關(guān)注的不僅是產(chǎn)品本身的小體系, 而是從一個(gè)大的角度關(guān)注包括環(huán)境在內(nèi)的大的封閉系統(tǒng)。因此, 綠色化學(xué)本身是一個(gè)高度系統(tǒng)化的概念, 它的形成與實(shí)施涉及到一系列系統(tǒng)方法和系統(tǒng)過程。首先, 綠色化學(xué)作為一個(gè)新的知識(shí)體系,必然與其他科學(xué)知識(shí)體系密切交融。例如,評(píng)估某一化合物或化學(xué)過程對人體或環(huán)境的影響時(shí), 就不能不把生理學(xué)、生物化學(xué)、地質(zhì)學(xué)、環(huán)境地理學(xué)等學(xué)科包容進(jìn)來。而當(dāng)我們尋求新的、符合“綠色原則”的合成途徑時(shí), 又必然涉及到不僅是化學(xué)本身,還有物理學(xué)的一系列理論問題。最后,綠色化學(xué)的社會(huì)化推廣, 顯然又會(huì)與經(jīng)濟(jì)學(xué)、社會(huì)學(xué)、法學(xué)等許多專門知識(shí)和原則發(fā)生聯(lián)系。對所有這些關(guān)系的研究以及所有這些知識(shí)如何在綠色化學(xué)知識(shí)體系結(jié)構(gòu)中定位,都必須有系統(tǒng)思想的指導(dǎo)。

2. 實(shí)現(xiàn)綠色化學(xué)的方法

2.1 開發(fā)“原子經(jīng)濟(jì)”反應(yīng)

原子經(jīng)濟(jì)反應(yīng)是原料分子中的原子百分之百地轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物, 不產(chǎn)生副產(chǎn)物或廢物, 實(shí)現(xiàn)廢物的“零排放”(Zero em ission)。對于大宗基本有機(jī)原料的生產(chǎn)來說, 選擇原子經(jīng)濟(jì)反應(yīng)十分重要。目前, 在基本有機(jī)原料的生產(chǎn)中, 有的已采用原子經(jīng)濟(jì)反應(yīng), 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(jī)原料的生產(chǎn)所采用的反應(yīng), 已由二步反應(yīng), 改成采用一步的原子經(jīng)濟(jì)反應(yīng), 如環(huán)氧乙烷的生產(chǎn)，原來是通過氯醇法二步制備的, 發(fā)現(xiàn)銀催化劑后, 改為乙烯直接氧化成環(huán)氧乙烷的原子經(jīng)濟(jì)反應(yīng)。

原子利用率= 預(yù)期產(chǎn)物的分子量/反應(yīng)物質(zhì)的原子量之和×100 %

理想的原子經(jīng)濟(jì)反應(yīng)自然是原料分子中的原子百分之百地轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物,而不產(chǎn)生副產(chǎn)物或廢物,實(shí)現(xiàn)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(jìn)一步轉(zhuǎn)化所需的官能團(tuán)和反應(yīng)性, 在現(xiàn)有化工生產(chǎn)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(qū)安全, 需要用無毒無害的原料代替它們來生產(chǎn)所需的化工產(chǎn)品。

在代替劇毒的光氣作原料生產(chǎn)有機(jī)化工原料方面,有關(guān)方面報(bào)道了工業(yè)上已開發(fā)成功一種由胺類和二氧化碳生產(chǎn)異氰酸酯的新技術(shù)。一是不使用有毒有害的原料, 二是由于反應(yīng)在熔融狀態(tài)下進(jìn)行, 不使用作為溶劑的可疑的致癌物—甲基氯化物。

關(guān)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(fā), 經(jīng)過催化脫氫,開發(fā)了安全生產(chǎn)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(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎(jiǎng)中的變更合成路線獎(jiǎng)。另外, 國外還開發(fā)了由異丁烯生產(chǎn)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(yīng)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(diǎn)是, 對設(shè)備的腐蝕嚴(yán)重、對人身危害和產(chǎn)生廢渣、污染環(huán)境。為了保護(hù)環(huán)境, 多年來國外正從分子篩、雜多酸、超強(qiáng)酸等新催化材料中大力開發(fā)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(shù)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(fā)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(chǎn)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(chǎn)環(huán)境, 已工業(yè)化。在固體酸烷基化的研究中, 還應(yīng)進(jìn)一步提高催化劑的選擇性, 以降低產(chǎn)品中的雜質(zhì)含量; 提高催化劑的穩(wěn)定性, 以延長運(yùn)轉(zhuǎn)周期; 降低原料中的苯烯比, 以提高經(jīng)濟(jì)效益。異丁烷與丁烯的烷基化是煉油工業(yè)中提供高辛烷值組分的一項(xiàng)重要工藝, 近年新配方汽油的出現(xiàn), 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(fā)了一種負(fù)載型磺酸鹽、S iO 2 催化劑。另外, 一家公司宣稱開發(fā)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(xiàng)目是開發(fā)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(diǎn)(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(guī)液態(tài)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(zhì)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(diào)節(jié)。超臨界二氧化碳的最大優(yōu)點(diǎn)是無毒、不可燃、價(jià)廉等。

利用可再生資源合成化學(xué)品

利用生物量(生物原料) (B iomass) 代替當(dāng)前廣泛使用的石油, 是保護(hù)環(huán)境的一個(gè)長遠(yuǎn)的發(fā)展方向。生物質(zhì)主要由淀粉及纖維素等組成, 前者易于轉(zhuǎn)化為葡萄糖, 而后者則由于結(jié)晶及與木質(zhì)素共生等原因, 通過纖維素酶等轉(zhuǎn)化為葡萄糖, 難度較大。有關(guān)方面曾報(bào)道以葡萄糖為原料, 通過酶反應(yīng)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(tǒng)的苯開始來制造作為尼龍?jiān)系募憾崛〉昧孙@著進(jìn)展。由于苯是已知的治癌物質(zhì), 以經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上可行的方式, 從合成大量的有機(jī)原料中取除苯是具有競爭力的綠色化學(xué)目標(biāo)。

3. 綠色化學(xué)的未來發(fā)展

類社會(huì)在工業(yè)化社會(huì)以來的幾百年，依賴其科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，特別是利用化學(xué)科學(xué)的成就，創(chuàng)造和生產(chǎn)出大量的化學(xué)品種、化學(xué)物質(zhì)，不斷地滿足了人類社會(huì)的經(jīng)濟(jì)和文化的需求，為人類的進(jìn)步做出了巨大的貢獻(xiàn)，但在另一方面，利用化學(xué)和化學(xué)過程也對環(huán)境的污染負(fù)有一定的責(zé)任。以綠色化學(xué)為基礎(chǔ)，開發(fā)綠色化學(xué)技術(shù)不僅是保護(hù)生態(tài)環(huán)境的需要，也是充分利用資源、降低生產(chǎn)成本的需要。這對于提高我國化學(xué)工業(yè)在國際上的競爭能力、促進(jìn)科技自身發(fā)展，促進(jìn)我國化學(xué)工業(yè)、醫(yī)藥、農(nóng)藥等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的綠色化進(jìn)程都有十分重要的意義。

綠色化學(xué)的思想是人類可持續(xù)發(fā)展的客觀要求，化學(xué)家在這些方面已經(jīng)并將繼續(xù)作出更大的貢獻(xiàn)。綠色化學(xué)的誕生，體現(xiàn)出技術(shù)本身就具有生態(tài)價(jià)值，為人類協(xié)調(diào)自己與環(huán)境的關(guān)系提供了物質(zhì)手段，為人類解決發(fā)展與環(huán)境之間的矛盾提供了前提和保證。

綠色化學(xué)是21世紀(jì)中國工業(yè)發(fā)展的核心所在，只有在充分貫徹了綠色化學(xué)的思想后才能實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

1. 蔡建巖，淺談綠色化學(xué)，長春大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，2

2. 閔恩澤，傅軍，綠色化學(xué)的進(jìn)展，化學(xué)通報(bào)，1999，1

3. 方芳，吳勇，綠色化學(xué)的進(jìn)展，安徽化工，2001，3

王夢陽，中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院 應(yīng)用化學(xué)專業(yè)學(xué)生；

陳海麗，中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院化學(xué)工程與工藝專業(yè)學(xué)生。