环境保护从绿色化学开始

【摘要】本文主要介绍了绿色化学的必要性、定义、原则、主要研究方向。绿色化学是保护环境的必由之路。

【关键词】绿色化学;原子经济性;绿色能源;环境保护

0.前言

在人类进步的进程中，化学作为一门自然科学，它的贡献是不容置疑的。但化学品在丰富了人类的物质生活，提高了生活质量的同时，也给人类的健康和生存环境带来了严重的危害。近年来，绿色化学和技术已成为各国政府、学术界及企业界关注的热点。政府的直接参与、产学研的密切结合、国际学术交流与合作促进了绿色化学的蓬勃发展。

1.实行绿色化学的必要性

人类在改造自然创造物质财富的进程中，特别是20世纪，随着有机化学工业的发展，石油、天然气生产的急剧增长，使化工污染越来越突出，环境问题日趋严重。当代全球十大环境问题是：(1)大气污染；(2)臭氧层破坏；(3)全球变暖；(4)海洋污染；(5)淡水资源紧张和污染；(6)土地退化和沙漠化；(7)森林锐减；(8)生物多样性减少；(9)环境公害；(10)有毒化学品和危险废物。它们都直接或间接地与化学物质污染有关，因此，要想治理环境就要发展绿色化学。

传统上保护环境与发展工业生产常常是对立的。绿色化学是近年来在国际上兴起的一门热点学科。其目标是既从根本上保护环境，又能推进工业生产的发展。与传统化学和化工污染后治理的模式不同，绿色化学的宗旨是从流程的始端就最大程度地减少甚而根除污染，对可持续发展和人类生活的改善具有重要意义。

目前，人类赖以生存的自然环境遭到破坏，人与自然的矛盾激化。绿色象征着生命，象征着人与自然的和谐，绿色化学是人类生存和社会可持续发展的必然选择。

2.绿色化学的定义

绿色化学(Green Chemistry) 又称清洁化学(Clean Chemistry) 、环境友好化( Environmentally Friendly Chemistry) 、环境无害化学(Environmentally Benign Chemistry) 。其目的是依靠科技发展创造污染系数低、资源和能源消耗少的化学反应和生产工艺。其理想是不再使用有毒、有害物质,不再产生废物,不再处理废物,是一门从源头阻止污染的化学。

绿色化学立足把传统化学化工的“先污染、后治理”改变为“从源头上根除污染”，其基本思想可应用于化学化工的所有领域，即可对化工生产整个过程进行全面的绿色化学设计或评估，也可以对其中的某些单元操作进行绿色化学设计或者评估，还可以对化学品进行绿色化学设计或评估等。

和传统环境保护比较，传统环境保护是对已有的污染进行治理，而绿色化学的目标是消除污染的源头。和传统化学比较，传统化学更多的注重目标产物的生成以及成本，而较少的考虑过程中产生的污染，绿色化学不仅注重目标产物，同时更多的关注环境问题。

3.绿色化学的原则

发展“绿色化学”技术的思想首先在欧美国家产生。1995 年,美国设立“绿色化学总统奖”,并设专门机构推动其发展。与此同时,欧洲也提出“可持续发展化学工业”的概念。日本紧随其后,于1998 年设立半官半民的“化学技术战略推进机构”,主张确立新的化学技术体系,并于2000 年提出“绿色可持续发展化学( GSC) ”的概念,即通过包括产品设计、原料选择、制造方法、使用方法及循环利用等技术的革新,保证“人与环境的健康与安全”和“能源和资源的节省”。 1998年， R. T.Anastas 和J . C.Waner在美国《科学》杂志提出绿色化学的12 条原则，这些原则可作为评价和开发一条化学合成路线、一个生产流程、一个化合物是否符合绿色化学的指导方针和标准。这12条原则是：(1) 最好是防止废物的产生而不是产生后再处理；(2）设计的合成方法应使生产过程中所采用的原料最大量地进入产品之中；（3）只要可能,不论原料、中间产物和最终产品,均应对人体健康和环境无毒、无害；（4）设计的化学产品应在保持原有功效的同时,尽量无毒或毒性很小；（5）应尽可能避免使用溶剂、分离试剂等助剂,如不可避免,也要选用无毒无害的助剂；（6）合成方法必须考虑合成过程中能耗对成本与环境的影响,应设法降低能耗,最好采用在常温常压下的合成方法；（7）在技术可行和经济合理的前提下,采用可再生资源代替消耗性资源；（8）在可能的条件下,尽量不用不必要的衍生物；（9）合成方法中采用高选择性的催化剂比使用化学计量助剂更优越；（10）化工产品要设计成在终结其使用功能后,不会永存于环境中,要能分解成可降解的无害物质；（11）进一步发展分析方法,对危险物质在生成前实行在线监测和控制；（12）一个化学过程中使用的物质或物质的形态,应考虑尽量减小实验事故的潜在危险,如气体释放,爆炸和着火等。

从这12条原则中能够发现，绿色化学贯穿整个化学反应的全过程，在可能的条件下，从化学反应原料开始绿色化，一直到反应结束，尽量减少污染。

在此基础上，Neil Winterton提出了另外的绿色化学十二条原则，简称后十二条，这后十二条的内容是：（1）鉴别与量化副产物；（2）报道转换率、选择性与生产率；（3）建立整个工艺的物料衡算；（4）测定催化剂、溶剂在空气与废水中的损失；（5）研究基础的热化学；（6）估算传热与传质的极限；（7）请化学或工艺工程师咨询；（8）考虑全过程中选择化学品与工艺的效益；（9）促进开发并应用可持续性量度；（10)量化和减用辅料与其他投入；(11)了解何种操作是安全的，并与减废要求保持一致；(12)监控、报道并减少实验室废物的排放。

这12条可以帮助化学家们评估每个工艺过程的相对“绿色性”，并与其他的工艺相比较。

4.绿色化学研究的方向

绿色化学的核心问题是研究新反应体系，包括研究新的合成方法和路线，寻求新的化学原料，探索新的反应条件，设计和研制绿色产品等。从理论上讲，绿色化学要求通过对相关化学反应热力学和动力学的研究，探索新兴化学键的形成和断裂的可能性及其选择性的调节与控制，发展新型化学反应，推动化学学科的发展。

绿色化学关注以下三个领域：a.使用替代合成技术：催化及生物催化技术 ；自然加工, 如用光催化及生物拟态合成 ；使用更无毒和可再生的替代原料, 如生物制剂。b.使用可替代的反应条件：使用减少损害人类健康和环境污染的溶剂，增加选择性, 减少废弃物和排放物。c.以如下方式设计化学品：与目前所用物质相比更加无毒；更易于阻止事故的发生。

4.1化学反应的原子经济性

绿色化学目标要求一个化学反应应考虑原子经济率和反应选择性。美国著名有机化学家Trost首先提出了“原子经济性”的概念, 认为高效的有机合成应最大地利用原料分子的每一个原子，使之结合到目标分子中,不产生副产物或废物, 实现废物的“ 零排放”。绿色化学在原子水平上计算转化率，最大限度的利用了原料。 目前, 工业生产中已存在一些原子经济性的反应。

4.2无毒、无害原料

原料对整个化学过程都产生重要影响，因此, 采用对人类健康和环境危害小更良性的原料去取代有毒的原料, 以实现某一特定的化学转换或发展新反应以减少乃至消除有毒物质是绿色化学的重要研究领域。对原料的评估主要体现在：a.原料本身有无危险性；b.原料的来源会不会引起危害；c.原料对下游合成路线的影响；d.原料的可再生性。

4.3溶剂的绿色化

化学实验离不开溶剂,人类每年向大气排放的有机溶剂超过2000 104t，在阳光照射下，在地面附近形成光化学烟雾，导致并加剧肺气肿、支气管炎等症状，甚至诱发癌症病变。因此,减少溶剂的使用, 改进传统的济剂, 采用环境无害的替代溶剂及开发无溶剂反应是绿色化学的重要研究领域。为了解决这一问题，目前有5中可选方案：a.采用水作溶剂；b.无溶剂合成；c.使用超临界流体作溶剂；d.固定化溶剂；e.以离子液体为溶剂。

4.4绿色催化剂

催化剂在化学中具有非常重要的作用它不仅可以提高效率, 而且同时对防止环境污染具有积极的意义通过使用高效新型的催化剂, 可以减少试剂的需要量, 从而减少废物的产生，另外, 通过改进和选择新催化剂可使合成过程在更加友好的环境条件下进行因此, 催化剂的选择是绿色化学的重要研究方向。

4.5绿色产品

绿色化学的最终目的是生产出绿色产品。现在，人们已经生产出绿色农药、绿色涂料、绿色表面活性剂、绿色活性染剂、绿色可降解聚合物等。

4.6绿色能源

绿色化学当然离不开绿色能源，我们熟知的有太阳能、氢能、生物质能、风能、海洋能、水力资源等。

5.结束语

随着全球性环境污染问题的日益加剧和能源、资源急剧减少, 公众众环境意识逐步提高,作为更安全的化学——绿色化学必将蓬勃发展,成为21世纪的主题,这也必将给我们带来一场全新的产业革命。绿色化学成果表明, 许多绿色产品是可以在技术上可行、经济上节约的安全化学过程中制备出来。另外, 高新技术的发展给绿色化学的实施提供了更大的可能性。当人们充分意识到绿色化学的意义时, 绿色成果和绿色面貌就将得到充分展示,经济、生态、社会的可持续发展将会得到充分的保证。

从科学观点认识，绿色化学是对传统化学思维方式的更新和发展；从环境观点认识，它是从源头上消除污染；从经济观点认识，它合理利用资源和能源，降低生产成本，符合经济可持续发展的要求。其目的就是要把现有化学和化工生产的技术路线从“先污染、后治理”改变为“从源头上根除污染”。通过绿色化学的途径，从科学研究出发，发展环境友好化学、化工技术，解决环境污染与经济可持续发展的矛盾。相信随着科学技术的进步和人们绿色意识的提高，只要我们用好绿色化学技术，我们的生活环境会更美好。■

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