绿色化学的应用研究

肖佳薇 朱团 潘亮 王双凤 寇盟

摘 要：绿色化学是现今化学发展的主要方向。在绿色化学研究中，应充分利用可再生资源，其中以无污染的物质为原料、酶为催化剂，生产有机化合物，因其条件温和、设备简单、选择性好、无污染，已成为绿色化学研究的重点之一，具有良好的开发前景。利用原子经济反应进行绿色设计，采用无毒、无害的原料和环境友好或可循环使用的新材料等，以及对能源工业中汽油的改造和造纸工业中的优化降解法研究，均取得了可喜的进展，并可对环境保护产生有益的、深远的影响。通过对绿色化学的应用研究，我们不但要有能力去发展新的、对环境更友好的化学，以防止化学污染，而且要让年轻的一代了解绿色化学、接受绿色化学，为环境经济做出应有的贡献。

关键词：绿色化学应用；环境；三废

化学工业的发展对人类的生活有着一定的改善，但也造成了一部分的环境污染，使之成为人类面临的巨大问题。万事万物都是双刃剑，有利即有弊，最终要靠人类的智慧使其向着有利于人类生活的方向进展。一些重大的环境污染事件多数与化学有关，但也不全是化学造成的。现在人类面临的环境问题有全球变暖，冰川融化，海平面上升，臭氧层被破坏，生物多样性的减少，酸雨的蔓延，森林的锐减，土地荒漠化，全球大部分面临沙漠化，水体及海洋污染，垃圾围城等等。其中森林的减少，生物多样性的减少，是人类滥捕滥伐的结果，与化学无关。在最早期的化学工艺流程里面，人们没有意识到，没有考虑到废气和废渣的处理，大部分的化学生产工艺都伴随着废气废水废渣的产生，从而使化学对环境造成污染。绿色化学正是基于人与自然和谐的可持续发展的理论之上，其研究所追求的目标是：舍弃有毒的原材料从源头上消除污染，探求崭新的合成路线，使其产率更大，向人类所需的方向发展、采用无污染的反应过程和工艺，能最大限度地减少三废，并实行原材料筛选-产品生成-产品使用-循环再利用的“全过程控制”。绿色化学技术的发展和应用不但能提高生产效率和优化产品，而且也能提高资源和能源的利用率，减轻污染，从而大幅度提高生产的环境和经济效益。因此，绿色化学的技术推广应用使环境与经济性成为技术创新的主要推动力。近些年来，绿色化学在物质的利用、原子经济工艺设计等诸多领域取得了一系列重大研究成果。

1 绿色化学

绿色化学的定义是：应用化学的技术、原理和方法去解决对人体健康、安全和生态环境有毒有害的化学污染，因此也称环境友好化学或洁净化学。其核心内容之一是“原子的经济性”，即百分之百的利用反应物中各个原子，因而不但能充分利用资源，而且也能防止化学污染。用原子利用率衡量反应的原子经济性，为高效的有机合成应最大限度地利用原料分子的每一个原子，使之结合到目标分子中，达到零排放。绿色有机合成应该是原子经济性的。原子利用率越高，反应产生的废弃物越少，对环境造成的污染也越少。绿色化学的核心内容之二，其内涵主要体现在五个“R”上：第一是Reduction-“减量”，即减少“三废”排放；第二是Revuse-“重复使用”，诸如化学工业过程中的催化剂、载体等，这是降低成本和减废的需要；第三是Recycling-“回收”，可以有效实现“省资源、少污染、减成本”的要求；第四是Regeneration-“再生”，即变废为宝，节省资源、能源，减少污染的有效途径；第五是Rejection-“拒用”，指对一些无法替代，又无法回收、再生和重复使用的，有毒副作用及污染作用明显的原料，拒绝在化学过程中使用，这是杜绝污染的最根本方法。

2 绿色化学的应用

绿色化学的应用包括对医药、农药等精细化学品的“原子经济”反应；大型石油化工品的绿色化技术的发展；新的或非传统的“洁净”反应介质的开发利用；可再生物质资源生产大型有机化工品和超清洁生物柴油的生产；废合成材料的回收利用等等。在化学制药工艺方面为了减少污染进行重新设计少污染或无污染的生产工艺，尽可能选用无毒或低毒的原辅材料来代替有毒或剧毒的原辅材料，以降低或消除污染物的毒性；优化工艺条件，改进操作方法，在生产工艺确定的前提下，从改进操作方法入手，减少或消除污染物的形成；采用新技术显著提高生产技术水平同时也十分有利于污染物的防治和环境保护；进行循环套，以为反应往往不完全，因此分离母液常含有一定数量的未反应的反应原料，可以通过工艺设计任意周密而细致的安排实现反应母液的循环套用或经适当处理后套用，可节约原料，提高产率，可减少环境污染；从排放的废弃物中回收有价值的物料，进行综合利用。改进生产设备，加强设备管理。

2.1 开发“原子经济”反应

化学反应的“原子经济性”则是指在化学反应中究竟有多少原料的原子进入到产品之中。我们常用原子利用率来衡量化学过程的原子经济性。在合成反应中，要减少废物排放的关键是提高目标产物的选择性和原子利用率，即化学反应中，到底有多少反应物的原子转变到了目标产物中。

开发新的原子经济反应已成为绿色化学研究的热点之一。1997年的新合成路线奖的获得者BCH公司的工作即是一个很好的例证。该公司开发了一种合成布洛芬的新工艺（布洛芬是一种广泛使用的非类固醇类的镇静、止痛药物），传统生产工艺包括6步化学计量反应，原子的有效利用率低于40%，新工艺采用三步催化反应，原子的有效利用率达80%，如果再考虑副产物乙酸的回收利用，则原子利用率达到99%。此外还有一个生产聚氨酯塑料的重要原料之一是环氧丙烷，传统上主要采用二步反应的氯醇法，不仅使用可能带来危险的氯气，而且还产生大量污染环境的含氯化钙废水，国内外均在开发催化氧化丙烯制环氧丙烷的原子经济反应新方法。

2.2 采用无毒、无害的原料

尽可能选用无毒或低毒的原辅材料来代替有毒或剧毒的原辅材料，以降低或消除污染物的毒性。但为使制得的中间体具有进一步转化所需的官能团和反应性，在现有化工生产中仍使用剧毒的光气和氢氰酸等作为原料。为了人类健康和社区安全。需要用无毒无害的原料代替它们来生产所需的化工产品。

2.3 采用无毒、无害的催化剂

近年来越来越多利用杂多酸代替浓硫酸做催化剂，杂多酸是由不同的含氧酸缩合而制得的缩合含氧酸的总称，是强度均匀的质子酸，并且有氧化还原的能力。杂多酸H3PW12O40通过改变分子组成，可调节酸强度和氧化还原性能。它不但具有很高的催化活性和酸性，而且稳定性好，是一种多功能的新型催化剂，可作均相及非均相反应，甚至可作相转移催化剂，对环境无污染，是一类大有前途的绿色催化剂。

2.4 采用无毒、无害的溶剂

大量的与化学品制造相关的污染问题不仅来源于原料和产品，而且源自在其制造过程中使用的物质。最常见的是在反应介质、分离和配方中所用的溶剂。当前广泛使用的溶剂是挥发性有机化合物（VOC）。其在使用过程中有的会引起地面臭氧的形成。有的会引起水源污染。因此。需要限制这类溶剂的使用。采用无毒无害的溶剂代替挥发性有机化合物作溶剂已成为绿色化学的重要研究方向。

在无毒无害溶剂的研究中。最活跃的研究项目是开发超临界流体（SCF）。特别是超临界二氧化碳作溶剂。超临界二氧化碳是指温度和压力均在其临界点（3llC、7477.7gkPa）以上的二氧化碳流体。它通常具有液体的密度。因而有常规液态溶剂的溶解度；在相同条件下。它又具有气体的粘度，因而又具有很高的传质速度。而且。由于具有很大的可压缩性。流体的密度、溶剂溶解度和粘度等性能均可由压力和温度的变化来调节。超临界二氧化碳的最大优点是无毒、不可燃、价廉等。

除采用超临界溶剂外。还有研究水或近临界水作为溶剂以及有机溶剂/水相界面反应。采用水作溶剂虽然能避免有机溶剂，但由于其溶解度有限，限制了它的应用，而且还要注意废水是否会造成污染。在有机溶剂/水相界面反应中。一般采用毒性较小的溶剂（甲苯）代替原有毒性较大的溶剂，如二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、醋酸等。采用无溶剂的固相反应也是避免使用挥发性溶剂的一个研究动向，如用微波来促进固、固相有机反应。

2.5 利用可再生的资源合成化学品

利用生物量（生物原料）（Biomass）代替当前广泛使用的石油，是保护环境的一个长远的发展方向。1996年美国总统绿色化学挑战奖中的学术奖授予TaxaA大学M·Holtzapp教授，就是南于其开发了一系列技术。把废生物质转化成动物饲料、工业化学品和然料。

物质主要由淀粉及纡维素等组成。前者易于转化为葡萄糖。而后者则由于结晶及与木质素共生等原因，通过纤维素酶等转比为葡萄糖。难度较大。Frost报道以葡萄糖为原料，通过酶反哎可制碍己二酸、邻苯二酚和对苯二酚等。尤其是不需要从传统的苯讦始采制运作为尼龙原料的己二酸取得了显著进展。由于苯是已知的治癌韧质，以经济和技术上可行的方式，从合成大量的有机原料中取除苯是具有竞争力的绿色化学目标。

2.6 环境友好产品

在环境友好产品方面。从1996年美国总统绿色化学挑战奖看，设计更安全他学品奖授予RohmHaas公司。由于其开发成功一种环境友好的海洋生物防垢剂。小企业奖授予Donlar公司。因其开发了两个高效工艺以生产热聚天冬氨酸，它是一种代替丙烯酸的可生物降解产品。

柴油是另一类重要的石油炼制产品。对环境友好柴油。一是要有性能优异的深度加氢脱硫催化剂；二是要开发低压的深度脱硫/芳烃饱和工艺。国外在这方面的研究已有进展。

3 绿色化学在处理工业三废中的应用

任何一项工业所排放的废料量都没有化学工业排放的多，化学工业所排放的废料总量甚至超过了其他行业排放的总和。绿色化学的科研工作主要是围绕化学反应、原材料、催化剂、溶剂和产品的绿色化工展开的，达到从源头上尽量减少甚至杜绝化学化工生产中对环境污染，实现三废的零排放。化学工业排放的污染物通常具有毒性、刺激性和腐蚀性，在污染物中，以废水的量最大，种类最多，危害最严重，对可持续发展的影响也最大。过程中还产生大量的废气、废渣并产生一定的噪声，因此加强三废处理尤为重要。必须采用科学的处理方法对其进行处理。如：用地球磁能和大自然产生的雷电的电能等代替现用的污染能源，这样就可以有效的从源头解决工业三废对环境的污染。绿色化学可以从源头上解决污染问题，实现零排放。

3.1 工业三废的来源及特点

化学工业废水主要来源于工业生产过程，其中含有种类繁多的有机物、金属及废酸废碱等。生产过程本身大量使用各种化学原料，但由于多步反应，原料利用率低，大部分随废水排放，对环境影响大。该类废水的水质差并且排放量多，其中含有许多有机物，难降解物和微生物生长抑制剂等。

废气主要为机械过程所产生的粉尘，以及锅炉燃烧所产生的烟尘。废气中主要含固体悬浮物，无机污染物，有机污染物废气。这类废气通常会导致温室效应，空气质量降低，对人类身体产生危害。

化学工业的废渣在生产过程中，每一步环节都会产生。工业废渣会破坏环境卫生，污染水和空气等。废渣有高炉矿渣、钢渣、煤灰、硫铁灰、电石渣、赤泥、白泥、洗煤泥、硅锰渣、铬渣等，这些也是一种资源，要想方设法利用，以开辟新的原料来源，减少对环境的污染。

总结其来源具体有以下几点，其一，工艺反应不完全产生的废料。工业生产过程中，一般的反应转化率只能达到70%～80%，未反应完的原料一部分可以回收再利用，但最终有一部分因回收不完全或不可回收而环节转入废水、废气或废渣中。其二，副反应所产生的废料。工业生产再进行工艺主反应的同时，往往还伴随着一些副反应，副反应的产物数量一般较少，有些可以回收，但有些成分复杂，回收困难或回收费用很大，因此，只能将其作为废料排弃。其三，工业物料储存、运输以及生产过程中的“跑”、“冒”、“滴”、“漏”现象，不仅会造成经济损失，而且也可能造成严重的污染。其四，许多生产工艺中都需要大量的冷却用水，如炼钢、炼油等。冷却的方式一般有直接冷却和间接两种，直接冷却是使冷却水直接与冷却的物料接触，很容易成为工业废水；间接冷却的冷却水虽然不与物料直接接触，但因为其中往往需要加入防腐剂、杀藻剂等化学物质，故也受到一定的污染，但间接冷却水相比其他工业废水较为清洁，可通过一定的处理后循环使用。

3.2 当前工业三废处理方式及存在的不足

工业企业一般避免布置在城镇居民区的上风向和水源上游；一些污染较大的工业如冶金、化工、造纸要远离城市中心；大工业企业与生活区间要有适当的隔离带以减少环境污染的影响等。大力采用无污染或少污染的新工艺、新技术、新产品，开展“三废”综合治理，是防治工业“三废”污染，搞好环境保护的重要途径之一。不同物质会有不同影响，三废治理不是一两句话能说清楚。废气、废水、废渣种类各有不同。以固体废弃物来说就分为危废和一般废物，危废处理方法一般是焚烧或者是深度填埋等，填埋场的要求很高，建一个大型的填埋场要几个亿投资。

由此我们可以看出，现在三废处理耗费的人力、物力等都特别大，并且得不到好的效果。其特点：一、不能从源头上解决，生产过程中还会产生；二、没有有效的将三废重新利用变废为宝。

3.3 应用绿色化学处理工业三废的方法

用新型的能源代替有污染的能源，现有的新型能源如太阳能、风能、潮汐能等已经被人们开发利用。但是大自然存在很多丰富的资源还有待开发。我们经过调查分析研究认为雷电、地球磁场存在着很大的开发利用价值。将雷电和地球磁场利用某些技术转化成我们需要的能源从而可有效的从源头解决“三废”对于环境所造成的污染问题。

4 结束语

绿色化学在获得物质的转化过程中充分利用原料中的每一个原子，实现“零排放”，因此既可以充分利用有限的资源，又不会产生污染。传统化学向绿色化学的转变可以看作是化学从“粗放型”向“集约型”的转变。绿色化学充分体现了能源节约型和环境友好型。减少了工厂上“三废”排放，消除污染物的形成；显著提高生产技术水平同时也十分有利于污染物的防治和环境保护。降低成本和循环利用，变废为宝，使经济效益大大提高。绿色化学已在全世界发展，不但有重大的社会、经济、环境效益，而且也说明了化学的负面作用是完全可以避免的，显现了人类的自我保护性。绿色化学体现了化学科学、技术与社会的相互联系和相互作用，是化学科学高度发展以及社会对化学科学发展的作用的产物，对化学本身而言是一个新的历史。作为新世纪的一代，不但要有能力去发展新的、对环境更友好的化学，以防止化学污染；而且要让年轻的一代了解绿色化学、接受绿色化学、为绿色化学做出应有的贡献。

参考文献

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通讯作者简介：朱团（1969-），男，毕业于东北师范大学化学系，黑河学院物理化学系副教授，主要研究方向为有机化学教学与实验研究。