浅谈绿色化学

浅谈绿色化学摘要化学给人类带来巨大的贡献同时也给全球环境带来了十大问题。

大气污染；臭氧层破坏；全球变暖；海洋污染；淡水资源污染；生物多样性减少；环境公害；有毒化学和危险废物；土地退化和沙漠化；森林锐减。

其中前八项都是直接或间接与化工生产、化学物质污染有关，后两项也有间接关系。

我们急需一个方法来解决上述问题，毫无疑问，绿色化学是解决这些问题的最佳选择。

本文将阐述绿色化学的基本原则，研究内容和特点，基本方法等内容，帮助我们更好的认识绿色化学，更好的保护我们赖以生存的家园。

关键字绿色化学生态文明1 绿色化学的含义绿色化学又称环境无害化学、环境友好化学、清洁化学[1-4,6,7,9]。

绿色化学即是用化学的技术和方法去消灭或减少那些对人类健康、社区安全、生态环境有害的原料、催化剂、溶剂和试剂在生产过程中的使用，同时也要在生产过程中不产生有毒有害的副产物、废物和产品。

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。

从科学观点看，绿色化学是化学科学基础内容的更新；从环境观点看，它是从源头上消除污染；从经济观点看，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[1,2,7]。

绿色化学具有丰富的内涵，并与生物学、物理学、计算机科学、材料科学和地学等学科有密切的联系，绿色化学的实施，需要这些学科的知识做基础。

而绿色化学的发展也将带动这些学科的发展，将成为21世纪化学发展的主流。

从传统化学向绿色化学的转变，可视为化学从“粗放型”向“集约型”的转变。

绿色化学是用化学预防污染，是进入成熟期的使人类和环境协调发展的更高层次的化学[4]。

2 绿色化学的原则绿色化学是近十几年才产生和发展起来的，它涉及化学的有机合成、催化、生物化学、分析化学等学科，内容广泛。

R.T.Anastas和J.C.Waner曾提出绿色化学的12项原则：1、防止废物的生成比其生成后再处理更好；2、设计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、设计合成方法时，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（包括极小毒性和无毒）；4、化工产品设计时，必须使其具有高效的功能，同时也要减少其毒性；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，如限制性基团、保护/去保护作用、临时调变物理/化学工艺；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其使用功能终结后，它不会永存于环境中，要能分解成可降解的无产物；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、要选择化学生产过程的物质使化学意外事故（包括渗透、爆炸、火灾等）的危险性降低到最小程度；这12条原则目前为国际化学界所公认，它也反映了近年来在绿色化学领域中所开展的多方面的研究工作内容，同时也指明了未来发展绿色化学的方向[1-3,5-9]。

3 绿色化学的研究内容和特点绿色化学是运用现代科学技术的原理和方法来减少或消除化学品的设计、生产和应用中有害物质的使用与产生，使所研究开发的化学产品和过程更加环境友好。

如何从源头上防止污染，从根本上减少或消除污染，实现零排放，提高“原子经济性”，这是绿色化学研究的首要目标。

因此，绿色化学的研究内容主要有：①改革现有工艺过程，实现清洁生产；②清洁合成，减少废物排放，目标是“零排放”；③安全化学品和绿色新材料的设计；④提高原材料和能源的利用率，大量使用可再生资源；⑤生物技术和生物质的应用；⑥新的分离技术；⑦评价环境效果的方法学和工具；⑧用绿色化学改革社会生活[5]。

绿色化学的特点是：绿色化学与传统化学的不同之处在于前者更多地考虑社会的可持续发展，促进人和自然关系的协调。

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。

绿色化学与环境化学的不同之处在于前者是研究与环境友好的化学反应与技术，特别是新的催化技术、生物技术、膜技术、清洁合成技术等。

而环境化学则是研究影响环境的化学问题。

绿色化学与环境治理的不同之处在于前者是从源头阻止污染的生成，即污染预防；环境治理则是对已被污染的环境进行治理，即末端治理。

在某种意义上说，绿色化学是对化学工业乃至整个现代工业的革命[4,5]。

4 绿色化学的基本方法受到来自社会、技术、经济、环境、政治等多方面的推动力，根据Crystal Faraday 协会在2004 年提出的路线图中给出的8 个技术领域，即绿色产品设计、原料、反应、催化、溶剂、工艺改进、分离技术和实现技术。

在此基础上，作者提出了绿色化工产品设计、原料绿色化及新型原料平台、新型反应技术、催化剂制备的绿色化和新型催化技术、溶剂的绿色化及绿色溶剂、新型反应器及过程强化与耦合技术、新型分离技术、绿色化工过程系统集成、计算化学与绿色化学化工结合等9 个方面绿色化学和化工的发展趋势。

4.1 绿色化工产品设计绿色化工产品设计要求对环境的影响最小化，这包括设计过程中的生命周期分析和循环回收、回用设计等。

如果一个产品本身对环境有害，仅仅降低其成本和改进其生产工艺对环境的影响是不够的，化学工业需要思考更多的是产品全生命周期中的成本和收益，特别是要考虑社会和环境的成本。

在绿色化工产品设计时，要遵循全生命周期设计、再循环和再使用设计、降低原料和能量消耗设计以及利用计算机技术进行绿色化工产品的设计等原则[1,8]。

4.2 原料的绿色化及新型原料平台原料在化工产品的合成中极其重要，它影响了化工产品的制造、加工、生产和使用等过程。

选择原料时，应尽量使用对人体和环境无害的材料，避免使用枯竭或稀有的材料，尽量采用可回收再生原材料，采用易于提取、可循环利用的原材料，使用环境可降解的原材料。

另外，用于合成的传统原料的绿色化也得到广泛的研究。

在传统化工生产中，经常要使用到有毒、有刺激并对生态不利的用于合成的原料，对于这些原料的绿色化是提升化工工艺和技术绿色程度的重要手段[1,2,8]。

4.3 新型反应技术迄今为止，化学家构筑了大量的化学反应，已有十几年没有新的人名反应出现，因此仅从化学反应本身开发新的反应已经难上加难。

从绿色角度来看，由于很多传统有机合成反应用到有毒试剂和溶剂，这些有毒试剂和溶剂的绿色替代物的开发给这些传统反应的重新构筑提供了机遇。

另外反应与生物技术、分离技术、纳米技术等的结合使得开发新型反应路径仍有空间[8]。

4.4 催化剂制备的绿色化和新型催化技术催化剂在实现化工工艺与技术的绿色化方面举足轻重。

无论是改造催化剂，还是使用绿色原料和绿色溶剂等，均涉及到催化剂。

高效无害催化剂的设计和使用成为绿色化学研究的重要内容，选择性对于催化剂的评价和绿色程度的评价来说尤为重要，选择性的提高可开辟化学新领域，减少能量消耗和废物产生量。

目前有关绿色化学的研究中有相当的数量是应用新型催化剂对原有的化学反应过程进行绿色化改进，如均相催化剂的高效性、固相催化剂的易回收和反复使用等[1,2,8]。

4.5 溶剂的绿色化及绿色溶剂大量的与化学品制造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。

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，在新工艺过程需要限制这些溶剂的使用，最好不用，或用环境友好的代替物替代环境不友好的溶剂。

对溶剂实现闭环循环，是解决溶剂对人类和环境影响的最终解决方法。

另外超临界流体和离子液体与生物催化的结合、水作为溶剂和无溶剂系统均是目前研究者关注的焦点[1,2,8]。

4.6 新型反应器及过程强化与耦合技术为了实现绿色化工技术，许多工艺的改进，如反应器的设计、单元过程的耦合强化，成为这些技术得以实现的基础，可极大地提高原子效率并降低能耗。

各种耦合技术对于化工技术开发的成功及工业化具有特别重要的作用。

反应与反应的耦合毫无疑可以大大简化操作过程[8]。

4.7 新型分离技术在美国各种分离过程耗费了工业所消耗能源总量的6%，它们占工厂花费的70%，因此研究新型分离技术对于国民经济来说非常重要。

分离追求的目标是节省能源、减少废物、避免废物盐的产生、减少循环、避免或减少有机溶剂的使用等。

目前超临界流体萃取、分子蒸馏以及膜的使用以及生物分子和大分子的分离是研究的焦点[1,8]。

4.8 绿色化工过程系统集成可持续发展给传统的过程系统工程提出了新的挑战，为此，必须研究绿色过程系统集成的理论及方法。

作为过程工业中的重要组成⎯⎯化学工业，绿色化工过程系统集成涉及的是一个“化学供应链”的问题，涵盖从分子→聚集体→颗粒→界面→单元→过程→工厂→工业园的全过程，主要研究与“化学供应链”相关的过程工程或产品工程的创造、模拟、优化、分析、合成/集成、设计和控制等问题，并将环境、健康和安全对过程或产品的影响作为约束条件或目标函数嵌入模型中，以多目标、多变量、非线性为重要特征，以全系统的经济、环境和资源的协调最优为最终目标[8]。

4.9 计算化学与绿色化学化工结合模拟化学的数值运算与计算机化学的逻辑运算结合起来进行“分子的理性设计”，将是21 世纪化学的特色之一。

完全顺应目前倍受化学界重视和倡导的绿色化学的思想，使化学成为与生态环境协调发展的、更高境界的化学。

在进行绿色化工工艺和技术的过程中，借助于量子化学计算的结果，可以更为精确地选择底物分子、催化剂、溶剂以及反应途径，这样可使用尽可能少的实验达到预期目标，大大减少了实验次数，从而在研发阶段从根本上减少了原料的消耗，使得对环境污染的排放也相应减少，大大提高研究效率。

模拟是绿色化工技术开发的重要工具，它是在计算机上快速建立试验模型，具有比实验室和工厂成本低和快速的特点。

随着计算机的不断进步及其应用越来越广泛，研究原料、反应器设计、过程开发、经济和商业模型模拟等复杂问题的解决将成为可能。

以后对绿色化工技术的成功应用，将需要开发更多的对原料、生产过程和商业过程集成的计算方法[8]。

5 展望目前世界各国无论是作为发达国家的美国，还是作为发展中国家的中国，都对绿色化学相当重视，在这方面做了大量的工作，并取得了瞩目的成就。

因为地球的生态环境、农业环境、大气环境等已经被人类污染、破坏到了一个相当严重的地步，人类正面临有史以来最严重的环境危机。

人口急剧增加，资源消耗日益扩大，人均耕地、淡水和矿产等资源占有量逐年减少，人口与资源、环境的矛盾越来越尖锐，保护环境、减少污染已到了刻不容缓的地步，地球用了几十亿年形成的适宜人类及整个生物界生存的生态环境、大气结构已被人类破坏的千疮百孔。