化学专业论文浅谈绿色化学化工的发展.docx

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化学专业论文浅谈绿色化学化工的发展

浅谈绿色化学化工的发展

摘要：

对绿色化学化工的定义、原则、绿色度的定量化以及绿色化学研究中出现的“绿色非绿”等基本问题的发展及研究进展进行了综述。

在此基础上，对绿色化学的基本原则是否需要做必要的补充、绿色化学是否应该单独成为一门学科，以及如何更加有效地定量描述和评价产品的绿色度（绿色化学）和制造过程的绿色度（绿色化工）等基本问题进行了探索和研究。

研究结果认为：

绿色化学的十二原则仍然是今后绿色化学化工研究的指导原则，但应增加设计并制备可回收并反复使用的物质，如催化剂、手性试剂等，以及使用过程强化及集成方法，改进原有化工工艺，以提高生产效率和减少能耗等两条原则；绿色化学应该成为一门独立的学科而加以深入的研究和发展；绿色化学中的绿色度是可以量化的，但要根据不同的目标选择合适的评价参数和方法；同时要特别注意研究和克服离子液体等绿色化学研究中出现的“绿色非绿”问题。

关键词：

绿色化学；绿色化学化工；绿色度定量化；绿色非绿

Developmentandresearchonbasicissuesofgreenchemistryand

chemicaltechnology

JIHongbing1，SHEYuanbin2

（1SchoolofChemicalEngineering，SouthChinaUniversityofTechnology，Guangzhou510640，Guangdong，China;2InstituteofGreenChemistryandFfineCchemicals，BeijingUniversityofTechnology，Beijing100022，China）

Abstract：

Thepaperfirstlyreviewsedthedevelopmentandresearchprogressofnthebasicissues，suchasdefinitionandprinciplesofgreenchemistryandchemicaltechnologyaswellasquantitativedescriptionofgreennessextendand“non-greenproblems”intheresearchofgreenchemistryandchemicaltechnology，andsecondlyexploresdandstudiesdthequestions，aboveissuesbasedsuchashowtomakeanecessarycomplementaritiestheopresentbasicprinciples，i.e.，likethetwelveprinciples，whetherthegreenchemistryshouldbeseparatedintoanindependentdisciplineornot，andhowtodescribeandevaluateeffectivelythegreennessextendofgreenproducts（greenchemistry）andgreenprocesses（greenchemicaltechnology）.Intheviewofourpoints,tThetwelveprinciplesareconsideredwouldbestilltheguidingeprinciplestostudygreenchemistryaftertime，buttwonewprinciplescshouldbeadded，thatis，designandmanufactureofmaterialswhichcouldbereclaimedandusedtimeaftertime，suchascatalysts，chiralreagentsetc.et.al，aswellasimprovementofformerchemicalengineeringprocessesandtechniquecsbyusingprocessintensificationandintegrationetc.et.al..Greenchemistryandchemicaltechnologyshouldbeasanindependentdisciplinetobeasthatwecanstudiedinvestigateitmoredeeply.Thegreennessextendofproductsandprocessescouldbequantitativedescribed，butwemustchoosedifferentparametersandmethodsmustbechosendependingondifferentobjectives.Inthesametime，weshouldpaymoreattentionshouldbepaidtostudyingandsolvingetheproblemsof“non-greenproblems”，suchasinresearchonfionicliquidsetc.et.al..

Keywords：

greenchemistry；greenchemistrychemicaltechnology；quantitativedescriptionofgreenextend；non-greenproblemsingreenchemistry

随着全球范围内人口的膨胀、能源和资源的短缺、环境污染问题的日益突出，世界各国政府以及人们在享受现代科学与技术给人们带来的巨大便利和快乐的同时，也逐渐意识到人们未来面临的巨大生存危机和困难。

为了唤起人们对环境保护的重视和绿色产品和工程的关注，许多诸如可持续发展、循环经济、绿色产品、绿色化学等词汇大量涌现。

尽管“绿色化学”这个词的使用频率非常之高，如政府、媒体、工厂、研究机构人员等均将其广泛使用于政府报告、规划、研究论文中。

但是，象使用“纳米”一样，许多人只是更多将其作为一种“时髦”的词在使用，而对其真正含义以及其中一些深层次的问题，却不甚了解，甚至经常将其与环境保护、可持续发展以及循环经济混为一谈。

这些问题不仅造成了绿色化学概念的滥用和混乱，而且还尚未引起人们，特别是学术界的普遍注意。

基于这种情况，作者认为非常必要对绿色化学与化工的基本问题，诸如其定义、原理、它的本质、特征、研究范围、对象等以及产品和过程绿色度的定量评价等，应该有一个清晰的界定。

而对其存在的问题，如离子液体等研究中出现的“绿色非绿”等问题，应该有清醒的认识，并力争去加以解决。

特别需要说明的是：

“绿色化学”与“绿色化学化工”概念相同，使用“绿色化学化工”是为了强调“绿色化学”与“化工”的关系。

为此，作者结合绿色化学以及绿色化工发展现状及趋势，从绿色化学化工的基本问题出发，从多个角度或多个层面来谈谈绿色化学与化工的基本问题，希望能引起学术界和政府部门的重视和讨论，在大家讨论和争论的基础上，最终达到正本清源的效果。

1绿色化学化工基本问题的发展及研究进展

1984年美国环保局首先提出“废物最小化”，初步体现绿色化学的思想。

而到1989年美国环保局提出“污染预防”——绿色化学思想才初步形成，1990年美国联邦政府通过“防止污染行动”的法令，将污染的防止确立为国策之后，才第一次出现“绿色化学”这个词汇。

尽管这个词出现至今已近17年，但其含义，也即其定义却也在不断的发展和变化。

刚出现时，它更多的是代表一种理念、一种愿望。

但随着时间的流逝，它本身在不断的发展变化中逐步趋于实际应用，且其发展与化工密切相关。

绿色化学倡导人，原美国绿色化学研究所所长，现耶鲁大学教授P.T.Anastas教授在1992年提出的“绿色化学”定义是：

“Thedesignofchemicalproductsandprocessesthatreduceoreliminatetheuseandgenerationofhazardoussubstances.”从这个定义上看，绿色化学的基础应该是化学，而其应用和实施则更像是化工。

实际上，绿色化学代表了化学和化工学科的共同发展趋势和目标之一，即无论是化学还是化工，不仅要面对社会发展对环境、健康和能源等方面日益严格的要求，而且还要面临来自其他新兴学科前所未有的挑战。

而绿色化学在连接化学与化工中所起的桥梁作用就体现得越来越明显。

绿色化学含义的这种变化不仅得到各国政府的高度关注，而且也使它所涉及的内容也越来越广，越来越丰富。

从它现在代表的意思来看，还可用环境友好化学、可持续发展、清洁生产等词汇来描述。

但是，绿色化学与环境化学、可持续发展、清洁生产、循环经济等词汇有密切的联系，但却不是等同的概念。

比如，与其最接近的清洁生产的概念指的是：

清洁技术、废物最小化、源控制、污染预防等。

联合国环境规划署和环境规划中心（UNEPIE/PAC）在1989年提出清洁生产这一术语时指出：

“清洁生产是指将综合预防的环境保护策略持续应用于生产过程和产品中，以期减少对人类与环境的风险”。

而《中国21世纪议程》中对清洁生产定义是：

“清洁生产是指既可满足人们的需要，又可合理使用自然资源和能源，并保护环境的生产方法和措施。

其实质是一种物料和能源消费最小的人类活动的规划和管理，将废物减量化、资源化和无害化，或消灭于生产过程之中”。

由此可见，清洁生产的概念不仅含有技术上的可行性，还包括经济上的可盈利性，体现了经济效益、环境效益和社会效益的统一。

值得注意的是，清洁生产的概念还具有相对性，是与现行的技术和产品相比较而言的。

随着经济发展与技术更新，清洁生产本身也在不断完善。

而实际上，绿色化学是当今国际化学科学研究的前沿，它吸收了当代化学、化工、环境、物理、生物、材料和信息等学科的最新理论和技术，是具有明确的社会需求和科学目标的新兴交叉学科。

它的研究内容涉及范围很广，下面仅扼要地提出其主要内涵。

从科学的观点看，绿色化学是化学和化工科学基础内容的更新，是基于环境友好约束下化学和化工的融合和拓展；从环境观点看，它是从源头上消除污染；从经济观点看，它要求合理地利用资源和能源、降低生产成本，符合经济可持续发展的要求。

正因为如此，科学家们认为，“绿色化学”将是21世纪科学发展最重要的领域之一，是实现污染预防的基本和重要科学手段。

绿色化学以利用可持续发展的方法，把降低维持人类生活水平及科技进步所需的化学产品与过程所使用与产生的有害物质作为努力的目标，因而与此相关的化学化工活动均属于绿色化学的范畴。

受到来自社会、技术、经济、环境、政治等多方面的推动力，根据CrystalFaraday协会在2004年提出的路线图中给出的8个技术领域[1]，即绿色产品设计、原料、反应、催化、溶剂、工艺改进、分离技术和实现技术。

在此基础上，作者提出了绿色化工产品设计、原料绿色化及新型原料平台、新型反应技术、催化剂制备的绿色化和新型催化技术、溶剂的绿色化及绿色溶剂、新型反应器及过程强化与耦合技术、新型分离技术、绿色化工过程系统集成、计算化学与绿色化学化工结合等9个方面绿色化学和化工的发展趋势。

1.1绿色化工产品设计

绿色化工产品设计要求对环境的影响最小化，这包括设计过程中的生命周期分析和循环回收、回用设计等。

如果一个产品本身对环境有害，仅仅降低其成本和改进其生产工艺对环境的影响是不够的，化学工业需要思考更多的是产品全生命周期中的成本和收益，特别是要考虑社会和环境的成本。

因此，国家在这方面的法律法规对于产品设计的绿色化具有很大的影响。

其中发达国家对于化工产品“绿色化”的要求，以及发展中国家受到“绿色壁垒”的限制，使得化工产品设计的绿色化成为必然趋势。

在绿色化工产品设计时，要遵循全生命周期设计、再循环和再使用设计、降低原料和能量消耗设计以及利用计算机技术进行绿色化工产品的设计等原则。

由于大多数人只考虑到他们直接控制的产品生命周期部分，造成化工产品全生命周期的想法尚不能深入化学工业界。

另外，化工产品设计的绿色化并没有成为企业发展的机遇，而更多的是企业被大环境所逼而致的。

因此，绿色化设计的积极性急需提升。

绿色化设计的标准和方法尚未建立也是其发展的重要障碍。

还有新材料，如纳米材料的安全性等方面的问题。

1.2原料的绿色化及新型原料平台

原料在化工产品的合成中极其重要，它影响了化工产品的制造、加工、生产和使用等过程。

如果一个化学品的原料对环境有着不利的影响，由它所合成的化学品也有可能对环境不利。

另外，为了满足可持续发展的要求，原料的可再生性也是很重要的指标。

一种日益枯竭的原料不仅具有环境方面的问题，还有经济上的弊端，这是由于不可再生原料不可避免地引起制造费用和购买价格的升高。

因此选择原料时，应尽量使用对人体和环境无害的材料，避免使用枯竭或稀有的材料，尽量采用可回收再生原材料，采用易于提取、可循环利用的原材料，使用环境可降解的原材料。

基于以上原则，一些新型的原料平台，如以石油化工中的低碳烷烃作为原料平台、以甲醇和合成气作为原料平台、以废旧塑料为原料平台和以生物质作为原料平台等在化工生产中越来越受到瞩目。

另外，用于合成的传统原料的绿色化也得到广泛的研究。

在传统化工生产中，经常要使用到有毒、有刺激并对生态不利的用于合成的原料，对于这些原料的绿色化是提升化工工艺和技术绿色程度的重要手段。

例如碳酸二甲酯是近年来受到广泛关注的用途极广的基本有机合成原料，由于其分子中含有甲氧基、羰基和羰甲基，具有很好的反应活性，有望在许多重要化工产品的生产中替代光气、硫酸二甲酯、氯甲烷及氯甲酸甲酯等剧毒或致癌物。

绿色氧化剂如氧气、双氧水因最终的氧化产物为水，已经在多类反应过程中替代传统的金属盐或金属氧化物氧化剂以及有机过氧化物，并且使反应条件更加温和，选择性更高。

1.3新型反应技术

迄今为止，化学家构筑了大量的化学反应，已有十几年没有新的人名反应出现，因此仅从化学反应本身开发新的反应已经难上加难。

从绿色角度来看，由于很多传统有机合成反应用到有毒试剂和溶剂，这些有毒试剂和溶剂的绿色替代物的开发给这些传统反应的重新构筑提供了机遇。

另外反应与生物技术、分离技术、纳米技术等的结合使得开发新型反应路径仍有空间。

1.4催化剂制备的绿色化和新型催化技术

由于催化剂不仅能改变热力学上可能进行的反应速率，还能有选择地改变多种热力学上可能进行的反应中的某一种反应，选择性地生成所需目标产物，因此在实现化工工艺与技术的绿色化方面举足轻重。

无论是改造催化剂，还是使用绿色原料和绿色溶剂等，均涉及到催化剂。

高效无害催化剂的设计和使用成为绿色化学研究的重要内容，选择性对于催化剂的评价和绿色程度的评价来说尤为重要，选择性的提高可开辟化学新领域，减少能量消耗和废物产生量。

目前有关绿色化学的研究中有相当的数量是应用新型催化剂对原有的化学反应过程进行绿色化改进，如均相催化剂的高效性、固相催化剂的易回收和反复使用等。

这类研究几乎无一例外地描述了对反应绿色化改进的程度，或减少了试剂的使用，或反应条件更加温和，或反应更加高效和高选择性，或催化剂多次重复使用和回收等。

但仅有很少研究者考虑了催化剂制备时的绿色化问题，如催化剂制备过程中废液的处理、催化剂焙烧过程中NOx的排放，催化剂中活性成分的原子经济性、催化剂制备过程中的环境因子和环境熵等。

可以回收并反复使用的固体催化剂的使用是环境友好的催化技术，但固体催化剂一直被普遍认为催化活性较均相催化剂低很多。

通过在分子水平上构筑高活性、高选择性的固体催化剂，不仅可解决催化剂的循环回收、反复使用等问题，而且对资源的有效利用和环境的保护起着积极的作用[2]。

另外，以手性金属配合物为催化剂的不对称催化反应一直是研究的核心，这其中具有较大范围适用性的手性助剂的设计和开发、手性功能和催化功能一体化的手性催化剂的设计和开发是研究的核心。

研究过程中要注意提高手性活性，避免废弃物的生成，以及降低分离成本。

手性试剂和手性催化剂由于合成价格昂贵，其循环回收反复使用性能也非常重要。

酶催化剂与仿生催化剂由于在温和条件下的高效性和高度专一性往往是化学催化剂望尘莫及的，已引起了广泛的重视。

1.5溶剂的绿色化及绿色溶剂

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。

目前广泛使用的溶剂是挥发性有机化合物（VOCs），其在使用过程中有的会引起臭氧层的破坏，有的会引起水源和空气污染，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，在新工艺过程需要限制这些溶剂的使用，最好不用，或用环境友好的代替物替代环境不友好的溶剂。

对溶剂实现闭环循环，是解决溶剂对人类和环境影响的最终解决方法。

另外超临界流体和离子液体与生物催化的结合、水作为溶剂和无溶剂系统均是目前研究者关注的焦点。

1.6新型反应器及过程强化与耦合技术

为了实现绿色化工技术，许多工艺的改进，如反应器的设计、单元过程的耦合强化，成为这些技术得以实现的基础，可极大地提高原子效率并降低能耗。

在常规的化学反应基础上，采用新技术进行过程强化，可使反应得以强化。

微波应用于有机反应，能大大加快化学反应的速度，缩短反应时间，具有产物易于分离、产率高等优点，已广泛地应用于各类化学反应。

由于超声波能加快反应速度、缩短反应时间、提高产率和反应选择性、具有温和的反应条件等多种有利因素，近些年来更是作为一种绿色化学的有效手段广泛应用于有机合成中。

作为光驱动的化学反应，紫外光和可见光是研究得最多的光源，紫外光和可见光由于其一定范围的波长，对于某些材料，如二氧化钛、半导体等，具有激发这些材料介电子的某些能带的作用，这些光源本身及受光源激发的材料具有良好的氧化性能，已广泛用于氧化反应、污染物处理等，具有极大的研究和开发价值。

对一些条件非常苛刻的反应，包括温室气体的化学转化、空气中有害气体的净化等，等离子体技术的采用则非常容易解决这些问题。

若等离子体与催化剂的协同作用，则可以降低等离子体击穿电压和反应温度，提高反应活性。

各种耦合技术对于化工技术开发的成功及工业化具有特别重要的作用。

“二合一”或“多合一”可能是对反应与分离过程在容器的同一区域内完成的最简单描述。

它是替代传统的反应与分离的有效方法。

目前，单元操作通常是在各自的装置上完成，产物毫无疑问是化学反应的核心。

由于产物中混有溶剂和催化剂，在反应之后一系列的分离工序是必需的。

反应与分离的耦合，可克服上述诸多不足，使得反应与分离在同一区域完成。

另外，从大多数反应分离实例来看，反应与分离的集成可使得它们彼此性能更佳；如反应物的不断动态移走，可使得反应平衡发生移动，而反应的顺利进行有利于分离效率的进一步提高。

反应与反应的耦合毫无疑可以大大简化操作过程。

具体表现在可缩短整个反应时间，减少中间产物与反应体系之间的分离和提纯，充分有效利用反应器，减少中间产物的损失。

特别是对于不稳定的中间物种，通过原位生成中间物种立即用于下个反应中，可充分提高中间物种的利用效率，对于同时存在吸热和放热反应来说，放热反应的热量可以填补或部分填补吸热反应的需要。

1.7新型分离技术

在美国各种分离过程耗费了工业所消耗能源总量的6%，它们占工厂花费的70%，因此研究新型分离技术对于国民经济来说非常重要。

分离追求的目标是节省能源、减少废物、避免废物盐的产生、减少循环、避免或减少有机溶剂的使用等。

目前超临界流体萃取、分子蒸馏以及膜的使用以及生物分子和大分子的分离是研究的焦点。

超临界流体萃取和分子蒸馏涉及到高压或高真空，设备一次性投资大，操作条件也较为苛刻，这是阻碍其大规模推广应用的主要因素。

用于生物大分子的新型分离手段成本较高，需进一步开发新的技术，降低成本。

1.8绿色化工过程系统集成

可持续发展给传统的过程系统工程提出了新的挑战，为此，必须研究绿色过程系统集成的理论及方法。

作为过程工业中的重要组成¾¾化学工业，绿色化工过程系统集成涉及的是一个“化学供应链”的问题，涵盖从分子→聚集体→颗粒→界面→单元→过程→工厂→工业园的全过程，主要研究与“化学供应链”相关的过程工程或产品工程的创造、模拟、优化、分析、合成/集成、设计和控制等问题，并将环境、健康和安全对过程或产品的影响作为约束条件或目标函数嵌入模型中，以多目标、多变量、非线性为重要特征，以全系统的经济、环境和资源的协调最优为最终目标[3]。

1.9计算化学与绿色化学化工结合

模拟化学的数值运算与计算机化学的逻辑运算结合起来进行“分子的理性设计”，将是21世纪化学的特色之一。

完全顺应目前倍受化学界重视和倡导的绿色化学的思想，使化学成为与生态环境协调发展的、更高境界的化学。

在进行绿色化工工艺和技术的过程中，借助于量子化学计算的结果，可以更为精确地选择底物分子、催化剂、溶剂以及反应途径，这样可使用尽可能少的实验达到预期目标，大大减少了实验次数，从而在研发阶段从根本上减少了原料的消耗，使得对环境污染的排放也相应减少，大大提高研究效率。

模拟是绿色化工技术开发的重要工具，它是在计算机上快速建立试验模型，具有比实验室和工厂成本低和快速的特点。

随着计算机的不断进步及其应用越来越广泛，研究原料、反应器设计、过程开发、经济和商业模型模拟等复杂问题的解决将成为可能。

以后对绿色化工技术的成功应用，将需要开发更多的对原料、生产过程和商业过程集成的计算方法。

2绿色化学的组织机构、奖励设置、主要会议及出版物

随着环境友好化学的工艺和产品越来越受到重视，绿色化学的研究相关的活动也日益增多，呈现出组织化越来越强的特点，这包括各种组织、各类与绿色化学相关的奖励、会议和出版物等。

下面针对一些连续性的活动进行扼要的阐述。

2.1组织机构

美国于1997年成立了绿色化学协会（GCI），主要目的是促进美国国内及国际的政府和企业与大学和国家实验室等学术、教育、研究机构的协作，是一个非盈利性、致力于环境友好化学合成和处理的教学、科研工作组织，其主要活动涉及与绿色化学相关的研究、教育、资源、会议、新闻、出版物、奖励、国际协作等诸多方面。

英国皇家化学协会（RSC）创办了绿色化学网络（GCN），其主要目的是在工业界、学术界和学校中促进和普及对绿色化学的了解、教育、训练与实践。

美国绿色化学学会在加拿大成立了分支机构，建立了加拿大绿色化学网络（CGCN）。

这是一个致力于绿色化学研究和教育、保护环境和人类身心健康的非盈利性机构。

日本则于2000年成立了绿色与可持续化学网络（GSCN），主要的目的是促进环境友好、有利于人类健康和安全的绿色化学的研究与开发。

其主要的活动涉及绿色与可持续发展化学的研究开发、教育、奖励、国际间的合作、信息交流等许多方面。

我国也于2006年7月12日正式成立了中国化学会绿色化学专业委员会。

2.2奖励设置

“总统绿色化学挑战奖”由美国前总统克林顿1995年发起，用来奖励在化学品的设计、制造和使用过程中体现绿色化学的基本原则、在源头上减少或消除化学污染物方面卓有成效的化学家或公司、企业。

所设奖项包括更新合成路线奖、变更溶剂和反应条件奖、设计安全化学品奖、学术奖和小企业奖共5项。

1996年进行了首次颁奖，以后每年一次。

在参照美国总统绿