綠色化學(xué)的應(yīng)用研究

肖佳薇 朱團(tuán) 潘亮 王雙鳳 寇盟

摘 要：綠色化學(xué)是現(xiàn)今化學(xué)發(fā)展的主要方向。在綠色化學(xué)研究中，應(yīng)充分利用可再生資源，其中以無污染的物質(zhì)為原料、酶為催化劑，生產(chǎn)有機(jī)化合物，因其條件溫和、設(shè)備簡(jiǎn)單、選擇性好、無污染，已成為綠色化學(xué)研究的重點(diǎn)之一，具有良好的開發(fā)前景。利用原子經(jīng)濟(jì)反應(yīng)進(jìn)行綠色設(shè)計(jì)，采用無毒、無害的原料和環(huán)境友好或可循環(huán)使用的新材料等，以及對(duì)能源工業(yè)中汽油的改造和造紙工業(yè)中的優(yōu)化降解法研究，均取得了可喜的進(jìn)展，并可對(duì)環(huán)境保護(hù)產(chǎn)生有益的、深遠(yuǎn)的影響。通過對(duì)綠色化學(xué)的應(yīng)用研究，我們不但要有能力去發(fā)展新的、對(duì)環(huán)境更友好的化學(xué)，以防止化學(xué)污染，而且要讓年輕的一代了解綠色化學(xué)、接受綠色化學(xué)，為環(huán)境經(jīng)濟(jì)做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：綠色化學(xué)應(yīng)用；環(huán)境；三廢

化學(xué)工業(yè)的發(fā)展對(duì)人類的生活有著一定的改善，但也造成了一部分的環(huán)境污染，使之成為人類面臨的巨大問題。萬(wàn)事萬(wàn)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(jìn)展。一些重大的環(huán)境污染事件多數(shù)與化學(xué)有關(guān)，但也不全是化學(xué)造成的?，F(xiàn)在人類面臨的環(huán)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(jié)果，與化學(xué)無關(guān)。在最早期的化學(xué)工藝流程里面，人們沒有意識(shí)到，沒有考慮到廢氣和廢渣的處理，大部分的化學(xué)生產(chǎn)工藝都伴隨著廢氣廢水廢渣的產(chǎn)生，從而使化學(xué)對(duì)環(huán)境造成污染。綠色化學(xué)正是基于人與自然和諧的可持續(xù)發(fā)展的理論之上，其研究所追求的目標(biāo)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(chǎn)率更大，向人類所需的方向發(fā)展、采用無污染的反應(yīng)過程和工藝，能最大限度地減少三廢，并實(shí)行原材料篩選-產(chǎn)品生成-產(chǎn)品使用-循環(huán)再利用的“全過程控制”。綠色化學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用不但能提高生產(chǎn)效率和優(yōu)化產(chǎn)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(chǎn)的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。因此，綠色化學(xué)的技術(shù)推廣應(yīng)用使環(huán)境與經(jīng)濟(jì)性成為技術(shù)創(chuàng)新的主要推動(dòng)力。近些年來，綠色化學(xué)在物質(zhì)的利用、原子經(jīng)濟(jì)工藝設(shè)計(jì)等諸多領(lǐng)域取得了一系列重大研究成果。

1 綠色化學(xué)

綠色化學(xué)的定義是：應(yīng)用化學(xué)的技術(shù)、原理和方法去解決對(duì)人體健康、安全和生態(tài)環(huán)境有毒有害的化學(xué)污染，因此也稱環(huán)境友好化學(xué)或潔凈化學(xué)。其核心內(nèi)容之一是“原子的經(jīng)濟(jì)性”，即百分之百的利用反應(yīng)物中各個(gè)原子，因而不但能充分利用資源，而且也能防止化學(xué)污染。用原子利用率衡量反應(yīng)的原子經(jīng)濟(jì)性，為高效的有機(jī)合成應(yīng)最大限度地利用原料分子的每一個(gè)原子，使之結(jié)合到目標(biāo)分子中，達(dá)到零排放。綠色有機(jī)合成應(yīng)該是原子經(jīng)濟(jì)性的。原子利用率越高，反應(yīng)產(chǎn)生的廢棄物越少，對(duì)環(huán)境造成的污染也越少。綠色化學(xué)的核心內(nèi)容之二，其內(nèi)涵主要體現(xiàn)在五個(gè)“R”上：第一是Reduction-“減量”，即減少“三廢”排放；第二是Revuse-“重復(fù)使用”，諸如化學(xué)工業(yè)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(shí)現(xiàn)“省資源、少污染、減成本”的要求；第四是Regeneration-“再生”，即變廢為寶，節(jié)省資源、能源，減少污染的有效途徑；第五是Rejection-“拒用”，指對(duì)一些無法替代，又無法回收、再生和重復(fù)使用的，有毒副作用及污染作用明顯的原料，拒絕在化學(xué)過程中使用，這是杜絕污染的最根本方法。

2 綠色化學(xué)的應(yīng)用

綠色化學(xué)的應(yīng)用包括對(duì)醫(yī)藥、農(nóng)藥等精細(xì)化學(xué)品的“原子經(jīng)濟(jì)”反應(yīng)；大型石油化工品的綠色化技術(shù)的發(fā)展；新的或非傳統(tǒng)的“潔凈”反應(yīng)介質(zhì)的開發(fā)利用；可再生物質(zhì)資源生產(chǎn)大型有機(jī)化工品和超清潔生物柴油的生產(chǎn)；廢合成材料的回收利用等等。在化學(xué)制藥工藝方面為了減少污染進(jìn)行重新設(shè)計(jì)少污染或無污染的生產(chǎn)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(yōu)化工藝條件，改進(jìn)操作方法，在生產(chǎn)工藝確定的前提下，從改進(jìn)操作方法入手，減少或消除污染物的形成；采用新技術(shù)顯著提高生產(chǎn)技術(shù)水平同時(shí)也十分有利于污染物的防治和環(huán)境保護(hù)；進(jìn)行循環(huán)套，以為反應(yīng)往往不完全，因此分離母液常含有一定數(shù)量的未反應(yīng)的反應(yīng)原料，可以通過工藝設(shè)計(jì)任意周密而細(xì)致的安排實(shí)現(xiàn)反應(yīng)母液的循環(huán)套用或經(jīng)適當(dāng)處理后套用，可節(jié)約原料，提高產(chǎn)率，可減少環(huán)境污染；從排放的廢棄物中回收有價(jià)值的物料，進(jìn)行綜合利用。改進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備，加強(qiáng)設(shè)備管理。

2.1 開發(fā)“原子經(jīng)濟(jì)”反應(yīng)

化學(xué)反應(yīng)的“原子經(jīng)濟(jì)性”則是指在化學(xué)反應(yīng)中究竟有多少原料的原子進(jìn)入到產(chǎn)品之中。我們常用原子利用率來衡量化學(xué)過程的原子經(jīng)濟(jì)性。在合成反應(yīng)中，要減少?gòu)U物排放的關(guān)鍵是提高目標(biāo)產(chǎn)物的選擇性和原子利用率，即化學(xué)反應(yīng)中，到底有多少反應(yīng)物的原子轉(zhuǎn)變到了目標(biāo)產(chǎn)物中。

開發(fā)新的原子經(jīng)濟(jì)反應(yīng)已成為綠色化學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。1997年的新合成路線獎(jiǎng)的獲得者BCH公司的工作即是一個(gè)很好的例證。該公司開發(fā)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(zhèn)靜、止痛藥物），傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝包括6步化學(xué)計(jì)量反應(yīng)，原子的有效利用率低于40%，新工藝采用三步催化反應(yīng)，原子的有效利用率達(dá)80%，如果再考慮副產(chǎn)物乙酸的回收利用，則原子利用率達(dá)到99%。此外還有一個(gè)生產(chǎn)聚氨酯塑料的重要原料之一是環(huán)氧丙烷，傳統(tǒng)上主要采用二步反應(yīng)的氯醇法，不僅使用可能帶來危險(xiǎn)的氯氣，而且還產(chǎn)生大量污染環(huán)境的含氯化鈣廢水，國(guó)內(nèi)外均在開發(fā)催化氧化丙烯制環(huán)氧丙烷的原子經(jīng)濟(jì)反應(yīng)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(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。

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(qiáng)度均勻的質(zhì)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(diào)節(jié)酸強(qiáng)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(wěn)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(yīng)，甚至可作相轉(zhuǎn)移催化劑，對(duì)環(huán)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(xué)品制造相關(guān)的污染問題不僅來源于原料和產(chǎn)品，而且源自在其制造過程中使用的物質(zhì)。最常見的是在反應(yīng)介質(zhì)、分離和配方中所用的溶劑。當(dāng)前廣泛使用的溶劑是揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）。其在使用過程中有的會(huì)引起地面臭氧的形成。有的會(huì)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(fā)性有機(jī)化合物作溶劑已成為綠色化學(xué)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(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)（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(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。

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(jī)溶劑/水相界面反應(yīng)。采用水作溶劑雖然能避免有機(jī)溶劑，但由于其溶解度有限，限制了它的應(yīng)用，而且還要注意廢水是否會(huì)造成污染。在有機(jī)溶劑/水相界面反應(yīng)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(yīng)也是避免使用揮發(fā)性溶劑的一個(gè)研究動(dòng)向，如用微波來促進(jìn)固、固相有機(jī)反應(yīng)。

2.5 利用可再生的資源合成化學(xué)品

利用生物量（生物原料）（Biomass）代替當(dāng)前廣泛使用的石油，是保護(hù)環(huán)境的一個(gè)長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展方向。1996年美國(guó)總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎(jiǎng)中的學(xué)術(shù)獎(jiǎng)授予TaxaA大學(xué)M·Holtzapp教授，就是南于其開發(fā)了一系列技術(shù)。把廢生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成動(dòng)物飼料、工業(yè)化學(xué)品和然料。

物質(zhì)主要由淀粉及紆維素等組成。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)比為葡萄糖。難度較大。Frost報(bào)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(duì)苯二酚等。尤其是不需要從傳統(tǒng)的苯訐始采制運(yùn)作為尼龍?jiān)系募憾崛〉昧孙@著進(jìn)展。由于苯是已知的治癌韌質(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(jìng)爭(zhēng)力的綠色化學(xué)目標(biāo)。

2.6 環(huán)境友好產(chǎn)品

在環(huán)境友好產(chǎn)品方面。從1996年美國(guó)總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎(jiǎng)看，設(shè)計(jì)更安全他學(xué)品獎(jiǎng)授予RohmHaas公司。由于其開發(fā)成功一種環(huán)境友好的海洋生物防垢劑。小企業(yè)獎(jiǎng)授予Donlar公司。因其開發(fā)了兩個(gè)高效工藝以生產(chǎn)熱聚天冬氨酸，它是一種代替丙烯酸的可生物降解產(chǎn)品。

柴油是另一類重要的石油煉制產(chǎn)品。對(duì)環(huán)境友好柴油。一是要有性能優(yōu)異的深度加氫脫硫催化劑；二是要開發(fā)低壓的深度脫硫/芳烴飽和工藝。國(guó)外在這方面的研究已有進(jìn)展。

3 綠色化學(xué)在處理工業(yè)三廢中的應(yīng)用

任何一項(xiàng)工業(yè)所排放的廢料量都沒有化學(xué)工業(yè)排放的多，化學(xué)工業(yè)所排放的廢料總量甚至超過了其他行業(yè)排放的總和。綠色化學(xué)的科研工作主要是圍繞化學(xué)反應(yīng)、原材料、催化劑、溶劑和產(chǎn)品的綠色化工展開的，達(dá)到從源頭上盡量減少甚至杜絕化學(xué)化工生產(chǎn)中對(duì)環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)三廢的零排放?；瘜W(xué)工業(yè)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(yán)重，對(duì)可持續(xù)發(fā)展的影響也最大。過程中還產(chǎn)生大量的廢氣、廢渣并產(chǎn)生一定的噪聲，因此加強(qiáng)三廢處理尤為重要。必須采用科學(xué)的處理方法對(duì)其進(jìn)行處理。如：用地球磁能和大自然產(chǎn)生的雷電的電能等代替現(xiàn)用的污染能源，這樣就可以有效的從源頭解決工業(yè)三廢對(duì)環(huán)境的污染。綠色化學(xué)可以從源頭上解決污染問題，實(shí)現(xiàn)零排放。

3.1 工業(yè)三廢的來源及特點(diǎn)

化學(xué)工業(yè)廢水主要來源于工業(yè)生產(chǎn)過程，其中含有種類繁多的有機(jī)物、金屬及廢酸廢堿等。生產(chǎn)過程本身大量使用各種化學(xué)原料，但由于多步反應(yīng)，原料利用率低，大部分隨廢水排放，對(duì)環(huán)境影響大。該類廢水的水質(zhì)差并且排放量多，其中含有許多有機(jī)物，難降解物和微生物生長(zhǎng)抑制劑等。

廢氣主要為機(jī)械過程所產(chǎn)生的粉塵，以及鍋爐燃燒所產(chǎn)生的煙塵。廢氣中主要含固體懸浮物，無機(jī)污染物，有機(jī)污染物廢氣。這類廢氣通常會(huì)導(dǎo)致溫室效應(yīng)，空氣質(zhì)量降低，對(duì)人類身體產(chǎn)生危害。

化學(xué)工業(yè)的廢渣在生產(chǎn)過程中，每一步環(huán)節(jié)都會(huì)產(chǎn)生。工業(yè)廢渣會(huì)破壞環(huán)境衛(wèi)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(shè)法利用，以開辟新的原料來源，減少對(duì)環(huán)境的污染。

總結(jié)其來源具體有以下幾點(diǎn)，其一，工藝反應(yīng)不完全產(chǎn)生的廢料。工業(yè)生產(chǎn)過程中，一般的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率只能達(dá)到70%～80%，未反應(yīng)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(huán)節(jié)轉(zhuǎn)入廢水、廢氣或廢渣中。其二，副反應(yīng)所產(chǎn)生的廢料。工業(yè)生產(chǎn)再進(jìn)行工藝主反應(yīng)的同時(shí)，往往還伴隨著一些副反應(yīng)，副反應(yīng)的產(chǎn)物數(shù)量一般較少，有些可以回收，但有些成分復(fù)雜，回收困難或回收費(fèi)用很大，因此，只能將其作為廢料排棄。其三，工業(yè)物料儲(chǔ)存、運(yùn)輸以及生產(chǎn)過程中的“跑”、“冒”、“滴”、“漏”現(xiàn)象，不僅會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失，而且也可能造成嚴(yán)重的污染。其四，許多生產(chǎn)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(yè)廢水；間接冷卻的冷卻水雖然不與物料直接接觸，但因?yàn)槠渲型枰尤敕栏瘎?、殺藻劑等化學(xué)物質(zhì)，故也受到一定的污染，但間接冷卻水相比其他工業(yè)廢水較為清潔，可通過一定的處理后循環(huán)使用。

3.2 當(dāng)前工業(yè)三廢處理方式及存在的不足

工業(yè)企業(yè)一般避免布置在城鎮(zhèn)居民區(qū)的上風(fēng)向和水源上游；一些污染較大的工業(yè)如冶金、化工、造紙要遠(yuǎn)離城市中心；大工業(yè)企業(yè)與生活區(qū)間要有適當(dāng)?shù)母綦x帶以減少環(huán)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(shù)、新產(chǎn)品，開展“三廢”綜合治理，是防治工業(yè)“三廢”污染，搞好環(huán)境保護(hù)的重要途徑之一。不同物質(zhì)會(huì)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(chǎng)的要求很高，建一個(gè)大型的填埋場(chǎng)要幾個(gè)億投資。

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

3.3 應(yīng)用綠色化學(xué)處理工業(yè)三廢的方法

用新型的能源代替有污染的能源，現(xiàn)有的新型能源如太陽(yáng)能、風(fēng)能、潮汐能等已經(jīng)被人們開發(fā)利用。但是大自然存在很多豐富的資源還有待開發(fā)。我們經(jīng)過調(diào)查分析研究認(rèn)為雷電、地球磁場(chǎng)存在著很大的開發(fā)利用價(jià)值。將雷電和地球磁場(chǎng)利用某些技術(shù)轉(zhuǎn)化成我們需要的能源從而可有效的從源頭解決“三廢”對(duì)于環(huán)境所造成的污染問題。

4 結(jié)束語(yǔ)

綠色化學(xué)在獲得物質(zhì)的轉(zhuǎn)化過程中充分利用原料中的每一個(gè)原子，實(shí)現(xiàn)“零排放”，因此既可以充分利用有限的資源，又不會(huì)產(chǎn)生污染。傳統(tǒng)化學(xué)向綠色化學(xué)的轉(zhuǎn)變可以看作是化學(xué)從“粗放型”向“集約型”的轉(zhuǎn)變。綠色化學(xué)充分體現(xiàn)了能源節(jié)約型和環(huán)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(chǎn)技術(shù)水平同時(shí)也十分有利于污染物的防治和環(huán)境保護(hù)。降低成本和循環(huán)利用，變廢為寶，使經(jīng)濟(jì)效益大大提高。綠色化學(xué)已在全世界發(fā)展，不但有重大的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益，而且也說明了化學(xué)的負(fù)面作用是完全可以避免的，顯現(xiàn)了人類的自我保護(hù)性。綠色化學(xué)體現(xiàn)了化學(xué)科學(xué)、技術(shù)與社會(huì)的相互聯(lián)系和相互作用，是化學(xué)科學(xué)高度發(fā)展以及社會(huì)對(duì)化學(xué)科學(xué)發(fā)展的作用的產(chǎn)物，對(duì)化學(xué)本身而言是一個(gè)新的歷史。作為新世紀(jì)的一代，不但要有能力去發(fā)展新的、對(duì)環(huán)境更友好的化學(xué)，以防止化學(xué)污染；而且要讓年輕的一代了解綠色化學(xué)、接受綠色化學(xué)、為綠色化學(xué)做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

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通訊作者簡(jiǎn)介：朱團(tuán)（1969-），男，畢業(yè)于東北師范大學(xué)化學(xué)系，黑河學(xué)院物理化學(xué)系副教授，主要研究方向?yàn)橛袡C(jī)化學(xué)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)研究。