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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.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的化合物，只有通過經過長期應用和研究才能熟知其性質，這時新物質可能已經對環(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。化學工業(yè)能否生產出對環(huán)境無害的化學品？甚至開發(fā)出不產生廢物的工藝？綠色化學的口號最早產生于化學工業(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?；瘜W工業(yè)能否生產出對環(huán)境無害的化學品？甚至開發(fā)出不產生廢物的工藝？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。以1993年為例，美國僅按365種有毒物質排放估算，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、經濟和社會的要求看。化學工業(yè)不能再承擔使用和產生有毒有害物質的費用。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容?？傊G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品所消納，實現(xiàn)“零排放”；
4.生產出有利于環(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)生產對環(huán)境的污染。
按照綠色化學的原則、最理想的化工生產方式是：
反應物的原子全部轉化為期望的最終產物。
性質
(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品所消納，實現(xiàn)“零排放”；
(4)生產出有利于環(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品中。
●盡可能使反應中使用和生成的物質對人類和環(huán)境無毒或毒性很小。
●設計化學產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。
●能量使用應最小，并應考慮其對環(huán)境和經濟的影響，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的類型。
●分析方法應能真正實現(xiàn)在線監(jiān)測，在有害物質形成前加以控制。
●化工生產過程中各種物質的選擇與使用，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
?。?）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生時要加強尾氣吸收，對實驗產物盡可能再利用等。
?。?）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。
（5）妥善處置實驗產生的廢物，防止環(huán)境污染。
研究成果
1.開發(fā)“原子經濟”反應
Trost在l991年首先提出了原子經濟性(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物。理想的原子經濟反應是原料分子中的原子百分之百地轉變成、產物，不生副產物或廢物。實現(xiàn)廢物的“零排放”(Zeroemission)。對于大宗基本有機原料的生產來說，選擇原子經濟反應十分重要。
近年來，開發(fā)新的原子經濟反應已成為綠色化學研究的熱點之一。國內外均在開發(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。
在已有的原于經濟反應如烯烴氫甲?；磻?。雖然反應已經是理想的。但是原用的油溶性均相銠絡合催化劑與產品分離比較復雜，或者原用的鈷催化劑運轉過程中仍有廢催化劑產生，因此對這類原子經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)上應用的原子經濟反應。也還需要從環(huán)境保護和技術經濟等方面繼續(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所需的化工產品。
在代替劇毒的光氣作原料生產有機化工原料方面。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)。經過催化脫氫。開發(fā)了安全生產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。以降低產品中的雜質含量；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品，而且源自在其制造過程中使用的物質。最常見的是在反應介質、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。把廢生物質轉化成動物飼料、工業(yè)化學品和燃料。
物質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，以經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)境友好產品
在環(huán)境友好產品方面。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熱聚天冬氨酸，它是一種代替丙烯酸的可生物降解產品。
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
綠色化學是設計沒有或只有盡可能小的對環(huán)境產生負面影響的，并在技術上、經濟上可行的化學品和化學過程的科學。事實上，沒有一種化學物質是完全良性的，因此，化學品及其生產過程或多或少會對人類產生負面影響，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)境的化工生產轉變?yōu)榘踩?、清潔的生產。
清潔生產的重點在于：
?、僭O計比現(xiàn)有產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；
③設計新的反應條件，減少廢棄物的產生和排放，以降低對人類健康和環(huán)境產生的危害。
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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