中国矿业大学化工学院 王梦阳 陈海丽

浅谈绿色化学

中国矿业大学化工学院 王梦阳 陈海丽

本文介绍了绿色化学的基本原理及一些实现的方法，及绿色化学对未来发展的重要意义。

绿色 原子经济 可持续

引言

绿色化学又称环境无害化学(Environmen tally Ben ign Chem ist ry )、环境友好化学(Environmen tally F riendly Chem ist ry)、清洁化学(Clean Chem ist ry)。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. 绿色化学的基本原理

绿色化学的研究主要是围绕化学反应、原料、催化剂、溶剂和产品的绿色化开展的, 包括化学反应(化工生产)过程的四个基本要素: 一是设计对人类健康和环境危害小的、淘汰有毒的反应起始物(原材料) ; 二是选择最佳的反应(生产) 条件, 包括温度、压力、时间、介质、物料平衡等,以实现最大限度的节能和零排放; 三是研究最佳的转换反应和良性循环(含催化剂) ; 四是设计对人类健康和环境更安全的目标化合物(最终产品)。

绿色化学与传统化学的不同之处, 首先在于它强调同其他相关学科的联系。绿色化学的诞生, 是以20 世纪90 年代的物理科学、生命科学和工程学的成就为后盾的, 化学家已有可能用现有的知识去选择最合适的化合物用于某一种特定的化学反应；绿色化学与传统化学的另一重要不同之处是,绿色化学的研究以系统科学方法为基础, 综合考虑与环境的关系。绿色化学所关注的不仅是产品本身的小体系, 而是从一个大的角度关注包括环境在内的大的封闭系统。因此, 绿色化学本身是一个高度系统化的概念, 它的形成与实施涉及到一系列系统方法和系统过程。首先, 绿色化学作为一个新的知识体系,必然与其他科学知识体系密切交融。例如,评估某一化合物或化学过程对人体或环境的影响时, 就不能不把生理学、生物化学、地质学、环境地理学等学科包容进来。而当我们寻求新的、符合“绿色原则”的合成途径时, 又必然涉及到不仅是化学本身,还有物理学的一系列理论问题。最后,绿色化学的社会化推广, 显然又会与经济学、社会学、法学等许多专门知识和原则发生联系。对所有这些关系的研究以及所有这些知识如何在绿色化学知识体系结构中定位,都必须有系统思想的指导。

2. 实现绿色化学的方法

2.1 开发“原子经济”反应

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”(Zero em ission)。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。

原子利用率= 预期产物的分子量/反应物质的原子量之和×100 %

理想的原子经济反应自然是原料分子中的原子百分之百地转变成产物,而不产生副产物或废物,实现废物的零排放。

2.2 采用绿色的原料

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。

在代替剧毒的光气作原料生产有机化工原料方面,有关方面报道了工业上已开发成功一种由胺类和二氧化碳生产异氰酸酯的新技术。一是不使用有毒有害的原料, 二是由于反应在熔融状态下进行, 不使用作为溶剂的可疑的致癌物—甲基氯化物。

关于代替剧毒氢氰酸原料,某从无毒无害的二乙醇胺原料出发, 经过催化脱氢,开发了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,并因此获得了1996 年美国总统绿色化学挑战奖中的变更合成路线奖。另外, 国外还开发了由异丁烯生产甲基丙烯酸甲酯的新合成路线[, 取代了以丙酮和氢氰酸为原料的丙酮氰醇法。

2.3 采用绿色的催化剂

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, 多年来国外正从分子筛、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, 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。另外, 国外已开发几种丙烯和苯烃化异丙苯的工艺, 采用大孔硅铝磷酸盐沸石、MCM 222 和MCM 256 新型沸石和Y 型沸石或用高度脱铝的丝光沸石和B沸石催化剂, 代替了原用的固体磷酸或三氯化铝催化剂。还有一种生产线性烷基苯的固体酸催化剂替代了氢氟酸催化剂, 改善了生产环境, 已工业化。在固体酸烷基化的研究中, 还应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。异丁烷与丁烯的烷基化是炼油工业中提供高辛烷值组分的一项重要工艺, 近年新配方汽油的出现, 限制汽油中芳烃和烯烃含量更增添了该工艺的重要性。目前这种工艺使用氢氟酸或硫酸为催化剂。近年国外一家公司开发了一种负载型磺酸盐、S iO 2 催化剂。另外, 一家公司宣称开发成功了一种固体酸催化的异丁烷、丁烯烷基化新工艺。

采用绿色的溶剂

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(311℃、7477179kPa) 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。

利用可再生资源合成化学品

利用生物量(生物原料) (B iomass) 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。生物质主要由淀粉及纤维素等组成, 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, 通过纤维素酶等转化为葡萄糖, 难度较大。有关方面曾报道以葡萄糖为原料, 通过酶反应可制得己二酸、邻苯二酚和对苯二酚等, 尤其是不需要从传统的苯开始来制造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物质, 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。

3. 绿色化学的未来发展

类社会在工业化社会以来的几百年，依赖其科学技术的进步，特别是利用化学科学的成就，创造和生产出大量的化学品种、化学物质，不断地满足了人类社会的经济和文化的需求，为人类的进步做出了巨大的贡献，但在另一方面，利用化学和化学过程也对环境的污染负有一定的责任。以绿色化学为基础，开发绿色化学技术不仅是保护生态环境的需要，也是充分利用资源、降低生产成本的需要。这对于提高我国化学工业在国际上的竞争能力、促进科技自身发展，促进我国化学工业、医药、农药等相关产业的绿色化进程都有十分重要的意义。

绿色化学的思想是人类可持续发展的客观要求，化学家在这些方面已经并将继续作出更大的贡献。绿色化学的诞生，体现出技术本身就具有生态价值，为人类协调自己与环境的关系提供了物质手段，为人类解决发展与环境之间的矛盾提供了前提和保证。

绿色化学是21世纪中国工业发展的核心所在，只有在充分贯彻了绿色化学的思想后才能实现可持续发展。

1. 蔡建岩，浅谈绿色化学，长春大学学报，2002，2

2. 闵恩泽，傅军，绿色化学的进展，化学通报，1999，1

3. 方芳，吴勇，绿色化学的进展，安徽化工，2001，3

王梦阳，中国矿业大学化工学院 应用化学专业学生；

陈海丽，中国矿业大学化工学院化学工程与工艺专业学生。