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- 綠色化學
名稱解釋
按照美國《綠色化學》(Green Chemistry)雜志的定義，綠色化學是指：在制造和應用化學產(chǎn)品時應有效利用(最好可再生)原料，消除廢物和避免使用有毒的和危險的試劑和溶劑。而今天的綠色化學是指能夠保護環(huán)境的化學技術.它可通過使用自然能源，避免給環(huán)境造成負擔、避免排放有害物質(zhì).利用太陽能為目的的光觸媒和氫能源的制造和儲藏技術的開發(fā)，并考慮節(jié)能、節(jié)省資源、減少廢棄物排放量。
綠色化學又稱“環(huán)境無害化學”、“環(huán)境友好化學”、“清潔化學”，綠色化學是近十年才產(chǎn)生和發(fā)展起來的，是一個“新化學嬰兒”。它涉及有機合成、催化、生物化學、分析化學等學科，內(nèi)容廣泛。綠色化學的最大特點是在始端就采用預防污染的科學手段，因而過程和終端均為零排放或零污染。世界上很多國家已把“化學的綠色化”作為新世紀化學進展的主要方向之一。
提出背景
化學在為人類創(chuàng)造財富的同時，給人類也帶來了危難。而每一門科學的發(fā)展史上都充滿著探索與進步，由于科學中的不確定性，化學家在研究過程中不可避免地會合成出未知性質(zhì)的化合物，只有通過經(jīng)過長期應用和研究才能熟知其性質(zhì)，這時新物質(zhì)可能已經(jīng)對環(huán)境或人類生活造成了影響。
傳統(tǒng)的化學工業(yè)給環(huán)境帶來的污染已十分嚴重，目前全世界每年產(chǎn)生的有害廢物達3億噸～4億噸，給環(huán)境造成危害，并威脅著人類的生存。嚴峻的現(xiàn)實使得各國必須尋找一條不破壞環(huán)境，不危害人類生存的可持續(xù)發(fā)展的道路?；瘜W工業(yè)能否生產(chǎn)出對環(huán)境無害的化學品？甚至開發(fā)出不產(chǎn)生廢物的工藝？綠色化學的口號最早產(chǎn)生于化學工業(yè)非常發(fā)達的美國。1990年，美國通過了一個“防止污染行動”的法令。1991年后，“綠色化學”由美國化學會（ACS）提出并成為美國環(huán)保署（EPA）的中心口號，并立即得到了全世界的積極響應。
重要性
傳統(tǒng)的化學工業(yè)給環(huán)境帶來的污染已十分嚴重，目前全世界每年產(chǎn)生的有害廢物達3億噸～4億噸，給環(huán)境造成危害，并威脅著人類的生存。化學工業(yè)能否生產(chǎn)出對環(huán)境無害的化學品？甚至開發(fā)出不產(chǎn)生廢物的工藝？有識之士提出了綠色化學的號召，并立即得到了全世界的積極響應。綠色化學的核心就是要利用化學原理從源頭消除污染。
綠色化學給化學家提出了一項新的挑戰(zhàn)，國際上對此很重視。1996年，美國設立了“綠色化學挑戰(zhàn)獎”，以表彰那些在綠色化學領域中做出杰出成就的企業(yè)和科學家。綠色化學將使化學工業(yè)改變面貌，為子孫后代造福。
迄今為止，化學工業(yè)的絕大多數(shù)工藝都是20多年前開發(fā)的，當時的加工費用主要包括原材料、能耗和勞動力的費用。近年來，由于化學工業(yè)向大氣、水和土壤等排放了大量有毒、有害的物質(zhì)。以1993年為例，美國僅按365種有毒物質(zhì)排放估算，化學工業(yè)的排放量為30億磅。因此，加工費用又增加了廢物控制、處理和埋放。環(huán)保監(jiān)測、達標，事故責任賠償?shù)荣M用。1992年，美國化學工業(yè)用于環(huán)保的費用為1150億美元，清理已污染地區(qū)花去7000億美元。1996年美國Dupont公司的化學品銷售總額為180億美元，環(huán)保費用為10億美元。所以，從環(huán)保、經(jīng)濟和社會的要求看?；瘜W工業(yè)不能再承擔使用和產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)的費用。需要大力研究與開發(fā)從源頭上減少和消除污染的綠色化學。
1990年美國頒布了污染防止法案。將污染防止確立為美國的國策。所謂污染防止就是使得廢物不再產(chǎn)生。不再有廢物處理的問題，綠色化學正是實現(xiàn)污染防止的基礎和重要工具。1995年4月美國副總統(tǒng)Gore宣布了國家環(huán)境技術戰(zhàn)略。其目標為：至2020年地球日時。將廢棄物減少40-50%，每套裝置消耗原材料減少20一25%。1996年美國設立了總統(tǒng)綠色化學挑戰(zhàn)獎。這些政府行為都極大的促進了綠色化學的蓬勃發(fā)展。另外。日本也制定了新陽光計劃。在環(huán)境技術的研究與開發(fā)領域。確定了環(huán)境無害制造技術、減少環(huán)境污染技術和二氧化碳固定與利用技術等綠色化學的內(nèi)容?？傊?，綠色化學的研究已成為國外企業(yè)、政府和學術界的重要研究與開發(fā)萬向。這對我國既是嚴峻的挑戰(zhàn)，也是難得的發(fā)展機遇。
主要特點
綠色化學又稱環(huán)境友好化學，它的主要特點是：
1.充分利用資源和能源，采用無毒、無害的原料；
2.在無毒、無害的條件下進行反應，以減少廢物向環(huán)境排放；
3.提高原子的利用率，力圖使所有作為原料的原子都被產(chǎn)品所消納，實現(xiàn)“零排放”；
4.生產(chǎn)出有利于環(huán)境保護、社區(qū)安全和人體健康的環(huán)境友好的產(chǎn)品。
研究情況
核心
利用化學原理從源頭上減少和消除工業(yè)生產(chǎn)對環(huán)境的污染。
按照綠色化學的原則、最理想的化工生產(chǎn)方式是：
反應物的原子全部轉化為期望的最終產(chǎn)物。
性質(zhì)
(1)充分利用資源和能源，采用無毒、無害的原料；
(2)在無毒、無害的條件下進行反應，以減少向環(huán)境排放廢物；
(3)提高原子的利用率，力圖使所有作為原料的原子都被產(chǎn)品所消納，實現(xiàn)“零排放”；
(4)生產(chǎn)出有利于環(huán)境保護、社區(qū)安全和人體健康的環(huán)境友好的產(chǎn)品。
綠色化學給化學家提出了一項新的挑戰(zhàn)，國際上對此很重視。1996年，美國設立了“綠色化學挑戰(zhàn)獎”，以表彰那些在綠色化學領域中做出杰出成就的企業(yè)和科學家。綠色化學將使化學工業(yè)改變面貌，為子孫后代造福。
原則
綠色化學的研究者們總結出了綠色化學的12條原則，這些原則可作為實驗化學家開發(fā)和評估一條合成路線、一個生產(chǎn)過程、一個化合物是不是綠色的指導方針和標準。
●防止污染優(yōu)于污染形成后處理。
●設計合成方法時應最大限度地使所用的全部材料均轉化到最終產(chǎn)品中。
●盡可能使反應中使用和生成的物質(zhì)對人類和環(huán)境無毒或毒性很小。
●設計化學產(chǎn)品時應盡量保持其功效而降低其毒性。
●盡量不用輔助劑，需要使用時應采用無毒物質(zhì)。
●能量使用應最小，并應考慮其對環(huán)境和經(jīng)濟的影響，合成方法應在常溫、常壓下操作。
●最大限度地使用可更新原料。
●盡量避免不必要的衍生步驟。
●催化試劑優(yōu)于化學計量試劑。
●化學品應設計成使用后容易降解為無害物質(zhì)的類型。
●分析方法應能真正實現(xiàn)在線監(jiān)測，在有害物質(zhì)形成前加以控制。
●化工生產(chǎn)過程中各種物質(zhì)的選擇與使用，應使化學事故的隱患最小。
途徑
?。?）開發(fā)綠色實驗。如實驗室用
（2）防止實驗過程中尾氣、廢物等環(huán)境的污染，實驗中有危害性氣體產(chǎn)生時要加強尾氣吸收，對實驗產(chǎn)物盡可能再利用等。
?。?）在保證實驗效果的前提下，盡量減少實驗試劑的用量，使實驗小型化、微型化。
（4）對于危險或反映條件苛刻，污染嚴重或儀器、試劑價格昂貴的實驗，可采用計算機模擬化學實驗或觀看實驗錄像等辦法。
?。?）妥善處置實驗產(chǎn)生的廢物，防止環(huán)境污染。
研究成果
1.開發(fā)“原子經(jīng)濟”反應
Trost在l991年首先提出了原子經(jīng)濟性(Atomeconomy的概念，即原料分子中究竟有百分之幾的原子轉化成了產(chǎn)物。理想的原子經(jīng)濟反應是原料分子中的原子百分之百地轉變成、產(chǎn)物，不生副產(chǎn)物或廢物。實現(xiàn)廢物的“零排放”(Zeroemission)。對于大宗基本有機原料的生產(chǎn)來說，選擇原子經(jīng)濟反應十分重要。
近年來，開發(fā)新的原子經(jīng)濟反應已成為綠色化學研究的熱點之一。國內(nèi)外均在開發(fā)鈦硅分子篩上催化氧化丙烯制環(huán)氧丙烷的原子經(jīng)濟新方法。此外，針對鈦硅分子篩催化反應體系，開發(fā)降低鈦硅分子篩合成成本的技術，開發(fā)與反應匹配的工藝和反應器仍是今后努力的方向。
在已有的原于經(jīng)濟反應如烯烴氫甲酰化反應中。雖然反應已經(jīng)是理想的。但是原用的油溶性均相銠絡合催化劑與產(chǎn)品分離比較復雜，或者原用的鈷催化劑運轉過程中仍有廢催化劑產(chǎn)生，因此對這類原子經(jīng)濟反應的催化劑仍有改進的余地。所以近年來開發(fā)水溶性均相絡合物催化劑已成為一個重要的研究領域。由于水溶性均相絡合物催化劑與油相產(chǎn)品分離比較容易。再加以水為溶劑，避免了使用揮發(fā)性有機溶劑，所擬開發(fā)水溶性均相絡合催化劑也已成為國際上的研究熱點。除水溶性銠-膦絡合物已成功用于丙烯氫甲?；a(chǎn)外，近年來水溶性銠-膦、釕-膦、鈀-膦絡合物在加氫二聚、選擇性加氫、C一C鍵偶聯(lián)等方面也已獲得重大進展，C6以上烯烴氨甲?；苽涓咛既?、醇的兩相催化體系的新技術國外正在積極研究。以上可見，對于已在工業(yè)上應用的原子經(jīng)濟反應。也還需要從環(huán)境保護和技術經(jīng)濟等方面繼續(xù)研究。加以改進。
2.采用無毒、無害的原料
為使制得的中間體具有進一步轉化所需的官能團和反應性，在現(xiàn)有化工生產(chǎn)中仍使用劇毒的光氣和氫氰酸等作為原料。為了人類健康和社區(qū)安全。需要用無毒無害的原料代替它們來生產(chǎn)所需的化工產(chǎn)品。
在代替劇毒的光氣作原料生產(chǎn)有機化工原料方面。Riley等報道了工業(yè)上已開發(fā)成功一種由胺類和二氧比碳生產(chǎn)異氰酸酯的新技術。在特殊的反應體系中采用一氧化碳直接羰化有機胺生產(chǎn)異氰酸酯的工業(yè)化技術也由Manzer，；開發(fā)成功。Tundo報道了用二氧化碳代替光氣生產(chǎn)碳酸二甲酯的新方法。Komiya研究開發(fā)了在固態(tài)熔融的狀態(tài)下。采用雙酚A和碳酸二甲酯聚合生產(chǎn)聚碳酸酯的新技術。它取代了常規(guī)的光氣合成路線。并同時實現(xiàn)了兩個綠色化學目標。一是不使用有毒有害的原料，二是由于反應在熔融狀態(tài)下進行。不使用作為溶劑的可疑的致癌物一甲基氯化物。
關于代替劇毒氫氰酸原料，Monsanto公司從無毒無害的二乙醇胺原料出發(fā)。經(jīng)過催化脫氫。開發(fā)了安全生產(chǎn)氨基二乙酸鈉的工藝，改變了過去的擬氨、甲醛和氫氰酸為原料的二步合成路線。并因此獲得了1996年美國總統(tǒng)綠色化學挑戰(zhàn)獎中的變更合成路線獎。
3.采用無毒、無害的催化劑
目前烴類的烷基化反應一般使用氧氟酸、硫酸、三氯化鋁等液體酸催化劑。這些液體催化劑共同缺點是，對設備的腐蝕嚴重、對人身危害和產(chǎn)生廢渣、污染環(huán)境。為了保護環(huán)境。多年來國外正從分子篩、雜多酸、超強酸等新催化材料中大力開發(fā)固體酸烷基化催化劑。其中采用新型分子篩催化劑的乙苯液相烴他技術引人注目，這種催化劑選擇性很高。乙苯重量收率超過99.6%。而且催化劑壽命長。還有一種生產(chǎn)線性烷基苯的固體酸催化劑替代了氫氟酸催化劑，改善了生產(chǎn)環(huán)境，已工業(yè)化。在固體酸烷基化的研究中。還應進一步提高催化劑的選擇性。以降低產(chǎn)品中的雜質(zhì)含量；提高催化劑的穩(wěn)定性。以延長運轉周期；降低原料中的苯烯比。以提高經(jīng)濟效益。異丁烷與丁烯的烷基化是煉油工業(yè)中提供高辛烷值組分的一項重要工藝。近年新配方汽油的出現(xiàn)，限制汽油中芳烴和烯烴含量更增添了該工藝的重要性。目前這種工藝使用氫氟酸或硫酸為催化劑。
4.采用無毒、無害的溶劑
大量與化學品制造相關的污染問題不僅來源于原料和產(chǎn)品，而且源自在其制造過程中使用的物質(zhì)。最常見的是在反應介質(zhì)、分離和配方中所用的溶劑。當前廣泛使用的溶劑是揮發(fā)性有機化合物(VOC)。其在使用過程中有的會引起地面臭氧的形成。有的會引起水源污染。因此。需要限制這類溶劑的使用。采用無毒無害的溶劑代替揮發(fā)性有機化合物作溶劑已成為綠色化學的重要研究方向。
在無毒無害溶劑的研究中。最活躍的研究項目是開發(fā)超臨界流體（SCF)。特別是超臨界二氧化碳作溶劑。超臨界二氧化碳是指溫度和壓力均在其臨界點(3l℃、7477.7gkPa)以上的二氧化碳流體。它通常具有液體的密度。因而有常規(guī)液態(tài)溶劑的溶解度；在相同條件下。它又具有氣體的粘度，因而又具有很高的傳質(zhì)速度。而且由于具有很大的可壓縮性。流體的密度、溶劑溶解度和粘度等性能均可由壓力和溫度的變化來調(diào)節(jié)。超臨界二氧化碳的最大優(yōu)點是無毒、不可燃、價廉等。
除采用超臨界溶劑外。還有研究水或近臨界水作為溶劑以及有機溶劑/水相界面反應。采用水作溶劑雖然能避免有機溶劑，但由于其溶解度有限，限制了它的應用，而且還要注意廢水是否會造成污染。在有機溶劑/水相界面反應中。一般采用毒性較小的溶劑(甲苯)代替原有毒性較大的溶劑，如二甲基甲酰胺、二甲基亞砜、醋酸等。采用無溶劑的固相反應也是避免使用揮發(fā)性溶劑的一個研究動向，如用微波來促進固、固相有機反應。
5.利用可再生的資源合成化學品
利用生物量(生物原料)(Biomass)代替當前廣泛使用的石油，是保護環(huán)境的一個長遠的發(fā)展方向。1996年美國總統(tǒng)綠色化學挑戰(zhàn)獎中的學術獎授予TaxaA大學M.Holtzapp教授，就是在于其開發(fā)了一系列技術。把廢生物質(zhì)轉化成動物飼料、工業(yè)化學品和燃料。
物質(zhì)主要由淀粉及紆維素等組成。前者易于轉化為葡萄糖，而后者則由于結晶及與木質(zhì)素共生等原因，通過纖維素酶等轉比為葡萄糖，難度較大。Frost報道以葡萄糖為原料，通過酶反應可制得己二酸、鄰苯二酚和對苯二酚等。尤其是不需要從傳統(tǒng)的苯開始采制運作為尼龍原料的己二酸取得了顯著進展。由于苯是已知的致癌物質(zhì)，以經(jīng)濟和技術上可行的方式，從合成大量的有機原料中去除苯是具有競爭力的綠色化學目標。
另外，Gfoss首創(chuàng)了利用生物或農(nóng)業(yè)廢物如多糖類制造新型聚合物的工作。由于其同時解決了多個環(huán)保問題，因此引起人們的特別興趣。其優(yōu)越性在于聚合物原料單體實現(xiàn)了無害化，生物催化轉化方法優(yōu)于常規(guī)的聚合方法，Gross的聚合物還具有生物降解功能。
6.環(huán)境友好產(chǎn)品
在環(huán)境友好產(chǎn)品方面。從1996年美國總統(tǒng)綠色化學挑戰(zhàn)獎看，設計更安全化學品獎授予Rohm Haas公司。由于其開發(fā)成功一種環(huán)境友好的海洋生物防垢劑。小企業(yè)獎授予Donlar公司。因其開發(fā)了兩個高效工藝以生產(chǎn)熱聚天冬氨酸，它是一種代替丙烯酸的可生物降解產(chǎn)品。
在環(huán)境友好機動車燃料方面，隨著環(huán)境保護要求的日益嚴格。1990年美國清潔空氣法(修正案)規(guī)定，逐步惟廣使用新配方汽油，減小由汽車尾氣中的一氧化碳以及烴類引發(fā)的臭氧和光化學煙霧等對空氣的污染。新配方汽油要求限制汽油的蒸汽壓、苯含量，還將逐步限制芳烴和烯烴含量。還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。這種新配方汽油的質(zhì)量要求已推動了汽油的有關煉油技術的發(fā)展。
柴油是另一類重要的石油煉制產(chǎn)品。對環(huán)境友好柴油。美國要求硫含量不大于0.05%，芳烴含量不大于20%，同時十六烷值不低于40；瑞典對一些柴油要求更嚴。為達到上述目的，一是要有性能優(yōu)異的深度加氫脫硫催化劑；二是要開發(fā)低壓的深度脫硫/芳烴飽和工藝。國外在這方面的研究已有進展。
此外，保護大氣臭氧層的氟氯烴代用品已在開始使用。防止“白色污染”的生物降解塑料也在使用。
清潔生產(chǎn)
綠色化學是設計沒有或只有盡可能小的對環(huán)境產(chǎn)生負面影響的，并在技術上、經(jīng)濟上可行的化學品和化學過程的科學。事實上，沒有一種化學物質(zhì)是完全良性的，因此，化學品及其生產(chǎn)過程或多或少會對人類產(chǎn)生負面影響，綠色化學的目的是用化學方法在化學過程中預防污染。
由于綠色化學的重要性，1995年，美國設立了“總統(tǒng)綠色化學挑戰(zhàn)獎”，以表彰在綠色化學化工領域的研究和開發(fā)中有重大突破和成就的個人和單位。
綠色化學的發(fā)展還可能將傳統(tǒng)的化學研究和化工生產(chǎn)從“粗放型”轉變?yōu)?ldquo;集約型”，充分地利用每個原料的原子，做到物盡其用。
要發(fā)展綠色化學意味著要從過去的污染環(huán)境的化工生產(chǎn)轉變?yōu)榘踩?、清潔的生產(chǎn)。
清潔生產(chǎn)的重點在于：
①設計比現(xiàn)有產(chǎn)品的毒性更低或更安全的化學品，以防止意外事故的發(fā)生；
?、谠O計新的更安全的、對環(huán)境良性的合成路線，例如盡量利用分子機器型催化劑、仿生合成等，使用無害和可再生的原材料；
?、墼O計新的反應條件，減少廢棄物的產(chǎn)生和排放，以降低對人類健康和環(huán)境產(chǎn)生的危害。
在現(xiàn)今社會中，一提起“化學”，很多人都要緊皺雙眉，因為他們都認為“化學”是引起環(huán)境污染的源泉。其實，這完全是因為對“化學”這門科學缺乏全面認識而造成的一種誤解，只要你留心地觀察和仔細地思考一下，在我們的衣食住行以及戰(zhàn)勝疾病等方面，樣樣都離不開化學家的幫助，可以毫不夸張地說，人類的生活離不開化學的發(fā)展。
誠然，化學品和化工生產(chǎn)造成了環(huán)境污染，但是，“解鈴還需系鈴人”，相信化學家能夠利用提倡綠色化學和綠色生產(chǎn)以及防止污染、治理污染的方法來消除環(huán)境污染，成為環(huán)境的朋友。
中國發(fā)展
中國在綠色化學方面的活動也逐漸活躍。
1995年，中國科學院化學部確定了《綠色化學與技術》的院士咨詢課題。
1996年，召開了“工業(yè)生產(chǎn)中綠色化學與技術”研討會，并出版了《綠色化學與技術研討會學術報告匯編》。
1997年，國家自然科學基金委員會與中國石油化工集團公司聯(lián)合立項資助了“九五重大基礎研究項目”“環(huán)境友好石油化工催化化學與化學反應工程”；中國科技大學綠色科技與開發(fā)中心在該校舉行了專題討論會，并出版了《當前綠色科技中的一些重大問題》論文集；香山科學會議以“可持續(xù)發(fā)展問題對科學的挑戰(zhàn)---綠色化學”為主題召開了第72次學術討論會。
1998年，在合肥舉辦了第一屆國際綠色化學高級研討會；《化學進展》雜志出版了《綠色化學與技術》專輯；四川聯(lián)合大學也成立了綠色化學與技術研究中心。
上述活動已推動了我國綠色化學的發(fā)展。
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