浅谈绿色化学

浅谈绿色化学侯卫国摘要：本文从对传统化学的评价开始，谈到绿色化学的产生，继而提到绿色化学的概念及其由来和涵义，详细说明了绿色化学的原理和原则，阐述了绿色化学与可持续发展这一人类共同关注的重大问题的密切关系。介绍了世界各国对绿色化学的积极活动，以及绿色化学的发展方向。从而说明了绿色化学的重要作用。
　　
　　1：引言：传统化学工业给人类环境带来的污染已十分严重，引起了社会各界的关注，而且物质经化学变化而转化为对人类有用的产品。世界化学化工产品已达到7万种之多，化工总产值约1万亿美元(中国约5000亿人民币)。化学品极大地丰富了人类的物质生活，提高了生活质量，并在控制疾病、延长寿命，增加农作物品种和产量，在食物的储存和防腐等方面起到了重要作用。但在生产、使用这些化学产品的过程中也产生了大量的废物，污染了环境，全世界目前每年产生的3亿一4亿吨危险废物(中国化学工业排放的废水，废气和固体废物分别占全国工业排放总量的22．5％，7．82％，5．93％)，给人类带来了灾难，所以，在现今社会中，一提起“化学”，很多人都要紧皱双眉。
　　
　　其实，这完全是因为对“化学”这门科学缺乏全面认识而造成的一种误解，只要你留心地观察和仔细地思考一下，在我们的衣食住行以及战胜疾病等方面，化工科技的进步，为人类带来巨大的益处。药品的发展有助治愈不少疾病，延长人类的寿命；聚合物科技创造新的制衣和建造材料；农药化肥的发展，控制了虫害，也提高了生产。样样都离不开化学家的帮助，可以毫不夸张地说，人类的生活离不开化学的发展。解决这一矛盾已成为21世纪人类环境问题的科学挑战。今天，研究人员正努力探讨各种物质对环境造成的影响及研究怎样清除污染，应付各种环境问题。化学家已提出绿色化学概念，提倡绿色化学和绿色生产以及防止污染、治理污染的方法来消除环境污染，使化学成为环境的朋友。
　　
　　2：概念：2.1:概念的由来：化学品的生产、使用与处理，给环境造成越来越严重的污染，起初人们试图通过减少废气、废水和固体废弃物的排放量来解决污染问题，而后又通过法规来对废弃物进行管理。现在，人们已经充分认识到：最佳的环境保护方法是从源头上防止污染的产生，而不是产生后再去治理。1991年，美国化学会提出了“绿色化学”的概念，作为从源头上防止环境污染的一种重要、策略和手段，越来越受到人们的关注。绿色化学（GreenChemistry），又称环境无害化学（EnvironmentallyBenignChemistry）、环境友好化学（EnvironmentallyFriendlyChemistry）、清洁化学（CleanChemistry）。是可持续发展的基本化学问题，是一门从源头阻止污染的化学，是国计民生急需解决的热点研究领域。
　　
　　2.2:绿色化学定义绿色化学是一种以保护环境为目标来设计、生产化学产品的最新科技成果，是一门从源头上阻止污染的化学。绿色化学概念从一提出来，就明确了它的现代内涵，是研究和寻找能充分利用的无毒害原材料，最大程度地节约能源，在各环节都实现净化和无污染的反应途径。它的主要特点是：①充分利用资源和能源，采用无毒、无害的原料；②在无毒、无害的条件下进行反应，以减少废物向环境排放；③提高原子的利用率，力图使所有作为原料的原子都被产品所消纳，实现“零排放”；④生产出有利于环境保护、社区安全和人体健康的环境友好的产品。
　　
　　2.3:绿色化学的涵义：2.3.1它的具体内涵之一体现在“5R”上。（1）：减量（Reduction），既节省资源，减少“三废”的排放。（2）：重复使用（Reuse），既是降低成本的需要，又是减废的需要，诸如化学过程中催化剂，载体等。（3）：回收（Recycling），可以有效实现“省资源、少污染、减成本”要求，如回收未反应原料、回收副产物、回收助溶剂、催化剂、稳定剂等非反应试剂。（4）：再生（Regeneration），既变费为宝，节省资源、能源，减少污染，如离子交换树脂、磺化煤等。（5）：拘用(Rejection)，指对一些无法代替，又无法回收、再生和重复使用、有毒副作用、污染作用的原料，拒绝在化学过程中使用。
　　
　　2.3.2绿色化学的另一个核心内容是“原子经济性”，即充分利用反应物中的各个原子，因而既能充分利用资源,又能防止污染。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。可表示为:3：3：绿色化学的基本原理3.1：绿色化学的12项原则：（1）：防止污染的产生优于治理产生的污染（２）：原子经济性（３）：只要可行，应尽量采用毒性小的化学合成路线（４）：更安全的化学品的设计应能保留其功效，但降低毒性（５）：应尽可能避免使用辅助物质（如溶剂分离剂等），如用时应是无毒的（６）：应考虑到能源消耗对环境和经济的影响，并应尽量少地使用能源。（７）：原料应是可再生的，而非将耗竭的（８）：尽量避免不必要的衍生化步骤（９）：催化性能试剂（有尽可能好的选择性）优于当量试剂（10）：化工产品在完成其使命后，不应残留在环境中，而能降解为无害的物质。（11）：在化学转换过程中，所选用的物质和物质形态应尽可能地降低发生化学事故的可能性》（12）：在化学转换过程中，所选用的物质和物质形态应尽可能地降低发生化学事故的可能性。
　　
　　3.2：对本原则的理解（１）：开发“原子经济”反应Trost在1991年首先提出了原子经济性（Atomeconomy）的概念（为此他曾经获得了１９９８年度的总统绿色化学挑战奖的学术奖），即原料分子中究竟有百分之几的原子转化成了产物。理想的原子经济反应是原料分子中的原子百分之百地转变成产物，不产生副产物或废物，实现废物的“零排放”（Zeroemission）。对于大宗基本有机原料的生产来说，选择原子经济反应十分重要。目前，在基本有机原料的生产中，有的已采用原子经济反应，如丙烯氢甲酰化制丁醛、甲醇羰化制醋酸、乙烯或丙烯的聚合、丁二烯和氢氰酸合成己二腈等。另外，有的基本有机原料的生产所采用的反应，已由二步反应，改成采用一步的原子经济反应，如环氧乙烷的生产，原来是通过氯醇法二步制备的，发现银催化剂后，改为乙烯直接氧化成环氧乙烷的原子经济反应。重要的有机中间体环氧乙烷的生产，从经典的氯醇（二步制备）法改为银催化乙烯直接氧化（一步）法，原子利用率从25%提高到100%，理论上没有废物产生。
　　
　　①：经典的氯醇法：CH2=CH2+Cl2+H2O→ClCH2CH2OH+HClHClOClCH2CH2OH+Ca(OH)2→H2C—CH2+CaCl2+H2O总反应：C2H4+Cl2+Ca(OH)2→C2H4O+CaCl2+H2O摩尔质量：28717444期望产品的摩尔质量原子利用率=化学方程式中按计量所用原料的摩尔质量之和=４４∕173=25%②：现代直接氧化法：OCH2=CH2+1/2O2→H2C—CH2原子利用率=100%
　　
　　（2）：采用无毒、无害的原料化学研究和化工生产中经常采用有毒、有害的原料，如剧毒的光气、氢氰酸、苯类、醛类等原料和中间体，它们严重地污染环境并危害人类的健康。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这是绿色化学的一项重要任务。（3）：采用无毒。无害的催化剂采用新型、高效、对环境友好、可回收的催化剂，可以提高反应的选择性，并避免副产物的生成，提高原子的利用率，减少有害物质对环境的排放。
　　
　　（4）：采用无毒、无害的溶剂：致力于开发无溶剂存在下的反应，如固态反应；开发和应用无毒、廉价、不危害环境的水介质体系；以超临界流体做介质的反应将成为绿色合成工艺的重要途径。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（5）：利用可再生的资源合成化学品
　　
　　利用再生的资源合成化学品；采用可再生资源做化学化工原料，是绿色化学的一项重要任务和方向。据统计，现在９５％以上的有机化学品都来自石油和煤炭，但石油和煤炭的储量有限，属不可再生能源。同时，石油和煤炭的开发和加工又严重污染环境。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TaxasA&M大学M.Holtzapple教授，就是由于其开发了一系列技术，把废生物质转化成动物饲料、工业化学品和燃料。