绿色化学的进展

1浅谈绿色化学摘要：绿色化学是一门从源头上阻止污染的化学。近年来绿色化学的重要性日益突出，本文主要介绍了了绿色化学的概念，绿色化学的重要性和绿色化学一些主要研究进展。关键词：绿色化学环境保护清洁能源ThegreenchemistryZANyu-lu(SchoolofComputerscienceandtechnologyShanghaiUniversityofElectricPowerStudentnumber:20121812Class:2012053)Abstract:Greenchemistryisakindofchemistrytopreventpollutioninthebeginning.Inrecentyears,theimportanceofgreenchemistryisbecomingmoreandmoreserious,thispapermainlyintroducestheconceptofgreenchemistry,somemainresearchresultsoftheimportanceofgreenchemistry.Keyword:GreenchemistryEnvironmentalprotectionCleanenergy1绿色化学的基本概念和特点绿色化学是实现污染防止的重要工具绿色化学(GreenChemistry)是近几年才开始出现的,其主要的基本概念“原子经济性”(原子利用率),是1991年由美国著名化学家Trost在《Science》上提出的,而绿色化学这一新领域是在1995年左右才开始形成的。绿色化学又称为环境无害化学(EvironmentallyBexignChem-istry),环境友好化学(EvironmentallyFriendlyChemistry),清洁化学(CleanChemistry)。绿色化学即是用化学的技术和方法去减少或消灭那些对人类健康、社区安全、生态2环境有害的原料、催化剂、溶剂和试剂、产物、副产物等的使用和产生。绿色化学的理想在于不再使用有毒、有害的物质,不再产生废物,不再处理废物。它是一门从源头上阻止污染的化学[1]。它所研究的中心问题是使化学反应,化学工艺及其产物具有以下四个方面的特点:(1)采用无毒、无害的原料;(2)在无毒无害的反应条件(溶剂、催化剂等)下进行;(3)使反应具有极高的选择性,极少的副产物,甚至达到“原子经济的程度”—即100%的选择性及废物零排放;(4)产品应是对环境无害的。2绿色化学的重要性[2,3]迄今为止,化学工业的绝大多数工艺都是20多年前开发的,当时的加工费用主要包括原材料、能耗和劳动力的费用。近年来,由于化学工业向大气、水和土壤等排放了大量有毒、有害的物质,以1993年为例,美国仅按365种有毒物质排放估算,化学工业的排放量为30亿磅。因此,加工费用又增加了废物控制、处理和埋放,环保监测、达标,事故责任赔偿等费用。1992年,美国化学工业用于环保的费用为1150亿美元,清理已污染地区花去7000亿美元。1996年美国Dupont公司的化学品销售总额为180亿美元,环保费用为10亿美元。所以,从环保、经济和社会的要求看,化学工业不能再承担使用和产生有毒、有害物质的费用,需要大力研究与开发从源头上减少和消除污染的绿色化学。1990年美国颁布了污染防止法案,将污染防止确立为美国的国策。所谓污染防止就是使得废物不再产生,不再有废物处理的问题。绿色化学正是实现污染防止的基础和重要工具。1995年4月美国副总统Gore宣布了国家环境技术战略,其目标为:至2020年地球日时,将废弃物减少40～50%,每套装置消耗原材料减少20～25%。1996年美国设立了总统绿色化学挑战奖。这些政府行为都极大地促进了绿色化学的蓬勃发展。另外,日本也制定了新阳光计划,在环境技术的研究与开发领域,确定了环境无害制造技术、减少环境污染技术和二氧化碳固定与利用技术等绿色化学的内容。总之,绿色化学的研究已成为国外企业、政府和学术界的重要研究与开发方向。这对我国既是严峻的挑战,也是难得的发展机遇。3绿色化学近年来的研究成果[4]:3.1能源的清洁3目前,煤炭仍是我国重要的能源之一,为了减少污染、提高热效率,已大力推广洗煤、煤炭液化技术。同时,为了杜绝能源对环境的污染,核电也将成为我国补充能源之一,因为与烧煤或烧油的火力发电相比,核能是相对清洁的能源。它不产生大量的烟尘,不排放大量二氧化碳和二氧化硫。另一方面,太阳福建化工年第1期能的发展前景可观,可成为不可缺少的能源。3.2可再生资源的利用利用可再生资源代替石油,是保护环境的一个长远的发展方向。生物原料主要是淀粉、纤维素等。淀粉易转化为葡萄糖,而纤维素需通过纤维素酶等催化转化。1994年采用以遗传工程获得的微生物为催化剂,以葡萄糖为原料成功合成了作为尼龙原料的二酸,从而结束了从传统的致癌物质苯制备己二酸的方法。另一方面,纤维素再生量大,每年可达10×1010吨,具有易降解和高反应活性,科学家们已利用生物基因工程选择产油量高的树种,并利用新型催化裂解技术裂解纤维素提取“树木石油”。3.3二氧化碳的吸收二氧化碳是最重要的温室气体之一,它主要来自于然烧矿物燃料。由于我国主要采用煤炭能源,在短期内不可能根本改变二氧化碳的排放量,因此,研究二氧化碳的吸收技术相当重要。目前已推出了利用水、乙醇等物理吸附法;胺吸收、碳酸钾加热等化学吸附法;膜分离等技术。3.4氟里昂的替代氟里昂、哈龙类物质破坏大气平流层臭氧,是造成“臭氧层空洞”的主要因素。发达国家已于1994年和1996年分别全部停止使用哈龙类和氟里昂物质。我国也开发应用了一些无氟致冷技术。3.5环境友好产品的开发随着环境保护要求的日益严格,在环境友好机动憔料方面,已逐步推广液化石油气、压缩燃气、甲醇和乙醇等醋类燃料,太阳能和氢能等,减少了由汽车尾气中的一氧化碳以及烃类引发的臭氧和光化学烟雾等对空气的污染。另外也成功开发了环境友好海洋生物防垢剂和防止“白色污染”的生物降解塑料等。44绿色化学的研究进展[5,6]绿色化学的研究主要是围绕着化学反应、原料、催化剂、溶剂和产品的绿色化开展的,目前有关这方面主要的研究进展是:4.1化工生产中采用无毒、无害的原料和溶剂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氢氰酸和光气等作为原料。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。代替剧毒氢氰酸原料[7],可以从无毒无害的二乙醇胺原料出发,经过催化脱氢,开发安全生产氨基二乙酸钠的工艺,改变了过去的以氨、甲醛和氢氰酸为原料的二步合成路线。大量的与化学品制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[8]。超临界二氧化碳是指温度和压力均在其临界点(311℃、7477.79kPa)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,如二甲基甲胺、二甲基亚砜、醋酸等。4.2化工生产中采用无毒、无害的催化剂目前烃类的烷基化反应一般使用氢氟酸、硫酸、三氯化铝等液体酸催化剂,这些液体催化剂的共同缺点是,对设备的腐蚀严重、对人身危害和产生废渣、污染环境。为了保护环境,可以从分子筛、杂多酸、超强酸等新催化材料中大力开发固体酸烷基5化催化剂。其中采用新型分子筛催化剂的乙苯液相烃化技术引人注目[9],这种催化剂选择性很高,乙苯重量收率超过99.6%,而且催化剂寿命长。在固体酸烷基化的研究中,进一步提高催化剂的选择性,以降低产品中的杂质含量;提高催化剂的稳定性,以延长运转周期;降低原料中的苯烯比,以提高经济效益。另外,必须发展新的合成方法,使用其他合适的替代材料,找出具备更高选择性及节省能源的反应条件及溶剂,以及使用毒性较低的安全化学品。例如有机分子的部分氧化过程中,要使用定量的金属氧化剂如六价铬、酸、有机溶剂以及有机性基质。这类反应过程中包含有毒金属、酸及有机残余物的混合物,是一种棘手的化学废物,要加以处理才可弃置,即使全部溶剂都可以循环回收,这等程序也会产生比产品本身更大量的废物。现时最理想的部分氧化程序,只采用有机性基质、空气(氧气)及小量催化剂。为求尽量使程序简单、有效,必须使用具有活性及选择性的催化剂,目前在部分氧化反应的固体催化剂的研究上,已有实质性进展。4.3化工生产提高烃类氧化反应的选择性烃类选择性氧化在石油化工中占有极其重要的地位。据统计[10],用催化过程生产的各类有机化学品中,催化选择氧化生产的产品约占25%。烃类选择性氧化为强放热反应,目的16产物大多是热力学上不稳定的中间化合物[11],在反应条件下很容易被进一步深度氧化为二氧化碳和水,其选择性是各类催化反应中最低的。这不仅造成资源浪费和环境污染,而且给产品的分离和纯化带来很大困难,使投资和生产成本大幅度上升。如果反应在没有气相氧分子的条件下进行,可避免气相和减少表面的深度氧化反应,从而提高反应的选择性,而且因不受爆炸极限的限制可提高原料浓度,使反应产物容易分离回收,是控制氧化深度、节约资源和保护环境的绿色化学工艺。所以,控制氧化反应深度,提高目的产物的选择性始终是烃类选择氧化研究中最具挑战性的难题[12]。有关晶格氧氧化的研究与开发,一方面要根据不同的烃类氧化反应,开发选择性好、载氧能力强、耐磨强度好的新催化材料;另一方面要根据催化剂的反应特点,开发相应的反应器及其工艺。4.4大力提倡生产环境友好产品在环境友好产品方面,机动车燃料,随着环境保护要求的日益严格,逐步推广使用新配方汽油,减小由汽车尾气中的一氧化碳以及烃类引发的臭氧和光化学烟雾等对空6气的污染。新配方汽油要求限制汽油的蒸汽压、苯含量,还将逐步限制芳烃的烯烃含量,还要求在汽油中加入含氧化合物,比如甲基叔丁基醚、甲基叔戊基醚。这种新配方汽油的质量要求已推动了汽油的有关炼油技术的发展。柴油是另一类重要的石油炼制产品。对环境友好柴油,要求硫含量不大于0.05%,芳烃含量不大于20%,同时十六烷值不低于40。为达到上述目的,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。此外,保护大气臭氧层的氟氯烃代用品和防止“白色污染”的生物降解塑料也在使用[13]。利用生物量(生物原料)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。Gross[14]首创了利用生物或农业废物如多糖类制造新型聚合物的工作。由于其同时解决了多个环保问题,因此引起了人们的特别兴趣。其优越性在于聚合物原料单体实现了无害化;生物催化转化方法优于常规的聚合方法,并具有生物降解功能。综上所述,加强对绿色化学这个至关重要的跨学科领域的研究,须体现当代最新科学技术的物理、化学、生物手段和方法,以从源头上根除污染,实现化学与生态协调发展相结合的角度,来研究环境友好的新反应、新过程、新产品。随着社会的进步和我们生活质量的进一步提高,如何维护及改善自然环境,研究绿色化学将更为重要。4结束语在现代科技革命迅猛发展的今天,依靠科技进步发展经济,保护环境,维