綠色化學(xué)在環(huán)保中的研究與應(yīng)用

梁婷 呂咨蔓 孫啟維

【摘要】：當(dāng)今社會(huì)，隨著環(huán)境污染危害性的曝光，環(huán)境保護(hù)也成了政府和人民共同關(guān)注的話(huà)題。環(huán)境保護(hù)不僅需要治理環(huán)境污染，更重要的是預(yù)防環(huán)境污染的發(fā)生，在此背景之下，發(fā)展綠色化學(xué)的效益日漸凸顯，已經(jīng)在全球范圍內(nèi)達(dá)成共識(shí)并推廣。本文以綠色化學(xué)為主要內(nèi)容，針對(duì)現(xiàn)在存在的環(huán)境問(wèn)題進(jìn)行了研究，并結(jié)合我國(guó)的國(guó)情對(duì)綠色化學(xué)的應(yīng)用進(jìn)行了深入地研究。

【關(guān)鍵詞】：綠色化學(xué)；環(huán)境保護(hù)；應(yīng)用分析；

在世界范圍內(nèi)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增長(zhǎng)需要提供越來(lái)越多的資源和能源，發(fā)展過(guò)程中出現(xiàn)的環(huán)境污染問(wèn)題越來(lái)越引起人們的重視。面對(duì)越來(lái)越嚴(yán)峻的環(huán)境問(wèn)題，綠色化學(xué)出現(xiàn)在了人們的視野中。綠色化學(xué)是新興的技術(shù)概念，能夠有效地節(jié)約資源并預(yù)防環(huán)境污染，涵蓋了傳統(tǒng)的化學(xué)、物理、材料、環(huán)境和信息等相關(guān)學(xué)科知識(shí)理論，在治理環(huán)境污染問(wèn)題上發(fā)揮著重要的作用。

1、綠色化學(xué)的產(chǎn)生及研究?jī)?nèi)容

1.1綠色化學(xué)的產(chǎn)生及定義

傳統(tǒng)化學(xué)通常是只考慮收率和選擇性，而忽略在生產(chǎn)過(guò)程中所產(chǎn)生的污染，或者是采取先污染后治理措施，但是這種方法確實(shí)治標(biāo)不治本，“野火燒不盡，春風(fēng)吹又生”，在如此反復(fù)的情況下，我們的精力和資金并沒(méi)有得到節(jié)省，從長(zhǎng)遠(yuǎn)上考慮，反而會(huì)造成更大的影響。

綠色化學(xué)的概念最早由美國(guó)學(xué)者Paul Anastas研究提出，又可稱(chēng)為清潔化學(xué)、環(huán)境友好化學(xué)或者環(huán)境無(wú)害化學(xué)。綠色化學(xué)是指對(duì)于人類(lèi)健康或者自然環(huán)境有害的產(chǎn)物、原料、溶劑、試劑和副產(chǎn)物的生產(chǎn)和應(yīng)用，通過(guò)化學(xué)的技術(shù)手段進(jìn)行消除或者減少的新興學(xué)科 [1]。綠色化學(xué)通過(guò)從源頭消除環(huán)境污染，達(dá)到零污染和零排放的目的，從而起到環(huán)境保護(hù)的作用。

1.2綠色化學(xué)的研究?jī)?nèi)容

綠色互學(xué)研究的指導(dǎo)方針和標(biāo)準(zhǔn)是綠色化學(xué)的“十二條原則”和“5R理論”，在降低成本，節(jié)省資源、能源，減少污染的前提下，通過(guò)對(duì)深層次的環(huán)境無(wú)害化學(xué)展開(kāi)研究，充分運(yùn)用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)手段和人文理念對(duì)物質(zhì)中的每個(gè)原子進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用，從而減少和消除傳統(tǒng)化學(xué)中對(duì)人類(lèi)健康和自然環(huán)境有害的一面，達(dá)到綠色環(huán)保、低毒無(wú)污染的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

2目前存在的環(huán)境問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)

2.1目前存在的環(huán)境問(wèn)題

隨著經(jīng)濟(jì)全球化的不斷發(fā)展，人們的生活水平提高的同時(shí)，對(duì)于資源和能源的需求也隨之加大，環(huán)境問(wèn)題已經(jīng)變成人類(lèi)需要共同面對(duì)的問(wèn)題。英國(guó)《自然》周刊研究報(bào)告警告說(shuō)，如果溫室氣體排放量繼續(xù)增加，全球變暖可能在我們有生之年超過(guò)安全值[2]。根據(jù)相關(guān)的調(diào)查顯示，目前全球共存在十個(gè)方面的環(huán)境問(wèn)題：（1）全球氣候逐漸變暖（2）太空臭氧層遭到破環(huán)（3）大氣環(huán)境污染（4）海洋環(huán)境污染（5）淡水資源緊張和污染（6）土地退化和沙漠化（7）森林銳減（8）全球酸雨蔓延（8）自然生物多樣性變少（10）有毒的化學(xué)品和危險(xiǎn)廢物。其中中國(guó)存在的最為嚴(yán)重的主要是大氣污染、淡水資源緊張和污染，雖然如今污染防治已經(jīng)取得了一定的成績(jī)，但是都是治標(biāo)不治本，環(huán)境問(wèn)題已經(jīng)成為懸在人們心頭的達(dá)摩克利斯之劍，我們要重點(diǎn)綠色研究和應(yīng)用綠色化學(xué)，掐斷環(huán)境污染的發(fā)生源頭，治標(biāo)更治本，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

2.2綠色化學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)

發(fā)展綠色化學(xué)適應(yīng)了經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，體現(xiàn)了環(huán)境保護(hù)的要求。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，和人們意識(shí)的不斷提高，近年來(lái)綠色化學(xué)已經(jīng)引起了國(guó)內(nèi)外各界的關(guān)注。美國(guó)總統(tǒng)克林頓設(shè)立總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎(jiǎng)以來(lái)，截至目前共頒獎(jiǎng)20余次，頒獎(jiǎng)的項(xiàng)目共有100多項(xiàng)。我國(guó)也在1993年編制了《中國(guó)21世紀(jì)議程》，堅(jiān)決貫徹落實(shí)世界環(huán)境和發(fā)展大會(huì)的要求，決心走可持續(xù)發(fā)展之路。2017年在全國(guó)代表大會(huì)中，提出了“樹(shù)立和踐行綠水青山就是金山銀山”的理念，并指出要推進(jìn)綠色發(fā)展，著力解決突出環(huán)境問(wèn)題，加大生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)力度，改革生態(tài)環(huán)境監(jiān)管體制。

2.3綠色化學(xué)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

一直以來(lái)我國(guó)對(duì)于環(huán)境污染的治理都是采取末端治理的方法，因?yàn)橹卫頃r(shí)污染已經(jīng)存在，治理污染的過(guò)程中需要花費(fèi)高昂的資金成本和時(shí)間成本。綠色化學(xué)技術(shù)優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在，一方面能夠提高治理污染的工作效率，減少耗費(fèi)的時(shí)間，另一方面可以有效減少資金開(kāi)支，預(yù)防污染的形成。除此之外，由于污染已經(jīng)形成，所以在治理期間需要預(yù)防污染的擴(kuò)散，其中部分污染還會(huì)存在一些毒性，而綠色化學(xué)技術(shù)的治理方法操作簡(jiǎn)便，安全性好，不會(huì)產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)，不會(huì)產(chǎn)生二次污染，便于推廣和普及。

3.綠色化學(xué)在環(huán)保中的研究與應(yīng)用

3.1治理水污染

水污染問(wèn)題一直以來(lái)都是我國(guó)政府和人民關(guān)注的問(wèn)題，主要包括居民排放的生活污水、企業(yè)排放的商業(yè)廢水和海水污染問(wèn)題。造成水污染的化學(xué)物質(zhì)多種多樣，主要包括各類(lèi)有機(jī)物、無(wú)機(jī)物、重金屬和放射性物質(zhì)等。在處理水污染的同時(shí)，我們還可以先將這些化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行二次利用和回收，這樣不僅可以提高我們處理水污染的治理效果，在利用這些回收的化學(xué)物質(zhì)的同時(shí)，也節(jié)約了其他流程的成本，這深刻的體現(xiàn)了我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的理念，真正做到變廢為寶，降低成本。

目前我國(guó)處理污水都是采用化學(xué)法、物理法、生物法、電滲析、膜技術(shù)等方法。在這些處理方法中，最常用的是生物法。相對(duì)而言，采用化學(xué)法雖然投入資金少，但是容易發(fā)生再次污染問(wèn)題，所以不能大規(guī)模推廣使用；采用物理法雖然操作方法和原理簡(jiǎn)單，但是設(shè)備占地面積太大，成本過(guò)高；電滲析和膜技術(shù)污水處理效果好，但投資費(fèi)用較大，使用過(guò)程中維修管理困難；而生物法成本低，可以直接應(yīng)用，不會(huì)產(chǎn)生二次污染，用于處理污染的生物能夠進(jìn)行自我修復(fù)，相對(duì)來(lái)說(shuō)較為實(shí)用[3]。

3.2治理大氣污染

近年來(lái)，我國(guó)大氣污染問(wèn)題較為突出，污染問(wèn)題日益嚴(yán)峻。大氣污染的來(lái)源多種多樣，大氣污染造成的后果也各種各樣，像霧霾、全球氣候升溫、酸雨等問(wèn)題都是由大氣污染引起的。雖然我國(guó)現(xiàn)在實(shí)施了低碳環(huán)保的政策（汽車(chē)限號(hào)、大力支持共享單車(chē)、供暖由煤炭改為天然氣等）措施，但是距離我們理想的效果還相差很遠(yuǎn)，大氣污染的治理仍需要我們的不斷努力和支持。

SO2是大氣污染源之一，可以通過(guò)生物脫硫的方法進(jìn)行處理，減少SO2的排放。Newlight Technologies公司開(kāi)發(fā)了一種以溫室氣體甲烷為原料合成高性能熱塑性塑料的方法，并同時(shí)包攬了2016年美國(guó)總統(tǒng)綠色化學(xué)獎(jiǎng)中的兩個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)[4]，這種合成方法不僅成本低廉，用途廣泛，還達(dá)到了治理大氣污染，減小溫室效應(yīng)和全球變暖的可能性。

3.3在綠色催化劑中的應(yīng)用

在很多的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，通過(guò)催化劑可以加快其化學(xué)反應(yīng)的速度。但是目前看來(lái)，很多的均相催化劑造成了環(huán)境污染，甚至?xí)：θ祟?lèi)健康，所以，綠色催化劑的使用有著至關(guān)重要的作用，合理的使用選擇性的綠色催化劑，可以減少能源的消耗，提升反應(yīng)速度，減少環(huán)境污染。

通常情況下，綠色催化劑屬于非均相催化劑。固體酸堿催化劑是一種優(yōu)良的綠色催化劑，與傳統(tǒng)的催化劑相比有良好的選擇性，而且不會(huì)腐蝕儀器，可以回收并重復(fù)使用。沸石分子篩就是一種固體酸催化劑，能夠擇形催化，對(duì)環(huán)境無(wú)害，現(xiàn)在已經(jīng)大規(guī)模運(yùn)用在石油化工領(lǐng)域了。由西比埃（CB&I;）公司和雅保公司開(kāi)發(fā)的AlkyClean催化劑是第一個(gè)用于商業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的固體酸催化劑，主要作用是在生產(chǎn)各類(lèi)烷基化油過(guò)程中充當(dāng)清潔汽油的成分。這種催化劑替代了傳統(tǒng)的毒性大、腐蝕性強(qiáng)的液體酸性催化劑，使石油行業(yè)開(kāi)始變得“環(huán)境友好”，2015年8月我國(guó)的淄博海益精細(xì)化工公司也開(kāi)始使用這項(xiàng)技術(shù)生產(chǎn)烷基化油。

3.4在綠色溶劑中的應(yīng)用

在制造加工和利用化學(xué)品的過(guò)程中，很多時(shí)候會(huì)用到輔助性有機(jī)溶劑。這些溶劑具有揮發(fā)性，揮發(fā)后形成的化學(xué)煙霧會(huì)造成環(huán)境污染特別是水體污染，破壞水生動(dòng)植物生存環(huán)境，甚至還會(huì)危及人類(lèi)的生命健康。代替揮發(fā)性有機(jī)溶劑的綠色溶劑，主要由水、離子液體、超臨界流體和無(wú)溶劑系統(tǒng)等無(wú)毒無(wú)害的液體組成，有效避免了揮發(fā)性有機(jī)溶劑的缺陷。

水溶劑是應(yīng)用最簡(jiǎn)單的一種綠色溶劑，它不是單純以水作為溶劑，而是使用水溶性的均相催化劑，與有機(jī)反應(yīng)物構(gòu)成兩相催化體系，在界面進(jìn)行反應(yīng)，利用水溶性催化劑進(jìn)行的反應(yīng)得到的產(chǎn)物容易被分離出來(lái)，反應(yīng)選擇性好，不但能夠簡(jiǎn)化操作流程，消除環(huán)境污染，還能提高反應(yīng)速率，提高產(chǎn)率，實(shí)用性非常廣泛。

超臨界流體（SCF）是指超出了物質(zhì)的臨界壓力、溫度的一種流體，其密度與液體接近，而黏度則與氣體接近，具有很高的可壓縮性和傳遞速度。最常用的是超臨界CO2，CO2來(lái)源于工業(yè)副產(chǎn)物，在利用的同時(shí)可以減少溫室氣體的排放，并且具備無(wú)毒害、不可燃、成本低、易分離、化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。將超臨界CO2運(yùn)用到生產(chǎn)過(guò)程中，能夠有效純化產(chǎn)物，確保溶劑無(wú)殘留，還能溶脹和擴(kuò)散高聚物，是環(huán)保上可接受的優(yōu)良有機(jī)溶劑。超臨界流體可以普遍的應(yīng)用在電子、化工、精密儀器、醫(yī)療器械、食品、化妝品等領(lǐng)域。

3.5在綠色化學(xué)品中的應(yīng)用

綠色化學(xué)品是環(huán)境友好型產(chǎn)品，即使使用之后，再循環(huán)也能降解為環(huán)境無(wú)害的H2O和CO2。綠色化學(xué)品的應(yīng)用十分廣泛，如今已經(jīng)成功的應(yīng)用到綠色農(nóng)藥、無(wú)磷洗衣粉和可生物降解塑料等化學(xué)品的使用中了。傳統(tǒng)的塑料長(zhǎng)期殘留會(huì)污染土壤和地下水，還可能會(huì)攜帶并傳染各種疾病，最重要的是很難被降解，如果丟到農(nóng)田之中還會(huì)阻礙農(nóng)作物的生長(zhǎng)，屬于“白色污染”，危害很大，受到了政府的高度關(guān)注。因此，研究開(kāi)發(fā)可生物降解塑料產(chǎn)品的意義十分重大，這類(lèi)產(chǎn)品能夠通過(guò)微生物的作用，分解成為環(huán)境無(wú)害的CO2和H2O，對(duì)我們的環(huán)境保護(hù)具有重要意義。

3.6在綠色原料中的應(yīng)用

為達(dá)到綠色化學(xué)無(wú)毒無(wú)害的目標(biāo)，綠色化學(xué)應(yīng)用的第一步就是綠色原料的選擇。通常在四方面對(duì)原料是否綠色化進(jìn)行評(píng)價(jià)：（1）原料的起源（2）原料的可更新性（3）原料的危害性（4）原料選擇的下游影響。碳酸二甲酯（DMC）作為一種能夠代替光氣的無(wú)毒害化工材料，可以通過(guò)與不同的化學(xué)物品產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)，衍生出一系列我們所需要的化合物。相對(duì)于毒性較大的光氣，DMC更安全、無(wú)污染，更易于推廣，作為羰基化試劑、甲基化試劑、汽油添加劑被廣泛使用。目前沙特基礎(chǔ)工業(yè)公司、旭精工株式會(huì)社、三菱公司等已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了PC和PU的無(wú)光氣商業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)。

3.7在綠色能源中的應(yīng)用

由人口增加和生活質(zhì)量提高引發(fā)的資源短缺已經(jīng)成為世界性難題，我們所使用的傳統(tǒng)能源都是不可再生的，所以我們要將目光轉(zhuǎn)向一些可重復(fù)利用、來(lái)源廣泛的新能源，這樣才能在提高生活所需的同時(shí)又不破壞環(huán)境。目前新能源主要有風(fēng)能、太陽(yáng)能、地?zé)崮?、生物質(zhì)能和海洋能以及氫能、核能等。其中使用最為便捷的是氫能，氫能具有燃燒性能好、來(lái)源廣泛、導(dǎo)熱性好、利用形式多樣的特點(diǎn)，可以作為電池、發(fā)動(dòng)機(jī)燃料、混合燃料。2016年南京大學(xué)建成了亞洲第一座“氫能源”綠色大樓，樓內(nèi)使用的所有能源幾乎都來(lái)源于廢棄的“氫氣”，這是利用氫能源的標(biāo)志性事件，為研究開(kāi)發(fā)利用新能源造福生活提供了很好的借鑒和思路。。

結(jié)語(yǔ)

綠色化學(xué)是建立在傳統(tǒng)化學(xué)的基礎(chǔ)之上，通過(guò)運(yùn)用先進(jìn)科技方法和環(huán)境保護(hù)理念，實(shí)現(xiàn)了集約高效無(wú)污染，是面向21世紀(jì)的高層次有內(nèi)涵的新思想、新理念。綠色化學(xué)面對(duì)長(zhǎng)久以來(lái)的環(huán)保問(wèn)題，不僅能夠在提高我們的經(jīng)濟(jì)效益，也能做到環(huán)境治理的高效率，實(shí)現(xiàn)環(huán)境和利益的雙贏(yíng)。但是我們的環(huán)境保護(hù)也不能只靠一些技術(shù)手段或方法就能解決，還需要我們所有人的實(shí)際支持，形成人人參與環(huán)境保護(hù)氛圍，讓環(huán)境保護(hù)的觀(guān)念深入人心，實(shí)現(xiàn)政府和人民齊心協(xié)力保護(hù)環(huán)境的良好格局。

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