淺談綠色化學

摘要： 本文先談了綠色化學的產生，繼而介紹了綠色化學的概念及其由來和涵義，并說明了綠色化學的原理和原則及對其的解釋，闡述了綠色化學與可持續發展這一人類共同關注的重大問題的密切關系，從而說明了綠色化學的重要作用，最后介紹了綠色化學的發展方向和未來展望。

關鍵詞： 綠色化學概念 綠色化學原則 綠色化學的發展方向及重要性

一、引言

世界化學化工產品已達到7萬種之多，化工總產值約1萬億美元（中國約5000億人民幣）。化學品極大地豐富了人類的物質生活，提高了生活質量，并在控制疾病、延長壽命，增加農作物品種和產量，幫助食物的儲存和防腐等方面起到了重要作用。在我們的衣食住行及戰勝疾病等很多方面，化工科技的進步，為人類帶來了巨大的益處。藥品的發展有助于治愈不少疾病，延長人類的壽命；聚合物科技創造新的制衣和建造材料；農藥化肥的發展，控制了蟲害，提高了生產。這些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展。但傳統化學工業給人類環境帶來的污染十分嚴重，已引起了社會各界的關注，在使用這些化學產品的過程中也產生了大量的廢物，污染了環境，全世界目前每年產生的3—4億噸危險廢物（中國化學工業排放的廢水、廢氣和固體廢物分別占全國工業排放總量的22.5%、7.82%、5.93%），給人類帶來了災難。解決這一矛盾已成為21世紀人類環境問題的科學挑戰。

今天，研究人員正努力探討各種物質對環境造成的影響及研究怎樣清除污染，應付各種環境問題。化學家已提出綠色化學概念，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境污染，使化學成為環境的朋友。

二、概念

1.概念的由來

化學品的生產、使用與處理，給環境造成越來越嚴重的污染，起初人們試圖通過減少廢氣、廢水和固體廢棄物的排放量來解決污染問題，而后又通過法規來對廢棄物進行管理。現在，人們已經充分認識到，最佳的環境保護方法是從源頭上防止污染的產生，而不是產生后再去治理。1991年，美國化學會提出了“綠色化學”的概念，作為從源頭上防止環境污染的一種重要、策略和手段，越來越受到人們的關注。

綠色化學（Green Chemistry），又稱環境無害化學（Environmentally Benign Chemistry）、環境友好化學（Environmentally Friendly Chemistry）、清潔化學（Clean Chemistry），是可持續發展的基本化學問題，是一門從源頭阻止污染的化學，是國計民生亟須解決的熱點研究領域。

2.綠色化學定義

綠色化學是一種以保護環境為目標來設計、生產化學產品的最新科技成果，是一門從源頭上阻止污染的化學。綠色化學概念從一提出來，就明確了它的現代內涵，是研究和尋找能充分利用的無毒害原材料，最大程度地節約能源，在各環節都實現凈化和無污染的反應途徑。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“零排放”；④生產出有利于環境保護、社區安全和人體健康的環境友好的產品。

3.綠色化學的涵義

它的具體內涵之一體現在“5R”上。

（1）減量（Reduction），既節省資源，又減少“三廢”的排放。

（2）重復使用（Reuse），既是降低成本的需要，又是減廢的需要，諸如化學過程中催化劑、載體等。

（3）回收（Recycling），可以有效實現“省資源、少污染、減成本”要求，如回收未反應原料、回收副產物、回收助溶劑、催化劑、穩定劑等非反應試劑。

（4）再生（Regeneration），既變費為寶，節省資源、能源，又減少污染，如離子交換樹脂、磺化煤等。

（5）拒用（Rejection），指對一些既無法代替，又無法回收、再生和重復使用、有毒副作用、污染作用的原料，拒絕在化學過程中使用。

綠色化學的另一個核心內容是“原子經濟性”，即充分利用反應物中的各個原子，因而既能充分利用資源，又能防止污染。用原子利用率衡量反應的原子經濟性，為高效的有機合成應最大限度地利用原料分子的每一個原子，使之結合到目標分子中，達到零排放。綠色有機合成應該是原子經濟性的。原子利用率越高，反應產生的廢棄物越少，對環境造成的污染也越少。

三、綠色化學的基本原理

1.綠色化學的12項原則

（1）防止污染的產生優于治理產生的污染；（2）原子經濟性；（3）只要可行，應盡量采用毒性小的化學合成路線；（4）更安全的化學品的設計應能保留其功效，但降低毒性；（5）應盡可能避免使用輔助物質（如溶劑分離劑等），如用時應是無毒的；（6）應考慮到能源消耗對環境和經濟的影響，并應盡量少地使用能源；（7）原料應是可再生的，而非將耗竭的；（8）盡量避免不必要的衍生化步驟；（9）催化性能試劑（有盡可能好的選擇性）優于當量試劑；（10）化工產品在完成其使命后，不應殘留在環境中，而能降解為無害的物質；（11）在化學轉換過程中，所選用的物質和物質形態應盡可能地降低發生化學事故的可能；（12）在化學轉換過程中，所選用的物質和物質形態應盡可能地降低發生化學事故的可能性。

2.對本原則的理解

（1）開發“原子經濟”反應。Trost在1991年首先提出了原子經濟性（Atom economy）的概念（為此他曾經獲得了1998年度的總統綠色化學挑戰獎的學術獎），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，不產生副產物或廢物，實現廢物的“零排放”（Zero emission）。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。

（2）采用無毒、無害的催化劑。采用新型、高效、對環境友好、可回收的催化劑，可以提高反應的選擇性，并避免副產物的生成，提高原子的利用率，減少有害物質對環境的排放。

（3）采用無毒、無害的溶劑。致力于開發無溶劑存在下的反應，如固態反應；開發和應用無毒、廉價、不危害環境的水介質體系；以超臨界流體做介質的反應將成為綠色合成工藝的重要途徑。

大量的與化學品制造相關的污染問題不僅來源于原料和產品，還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性有機化合物作溶劑已成為綠色化學的重要研究方向。

（4）利用可再生的資源合成化學品。利用再生的資源合成化學品，采用可再生資源做化學化工原料，是綠色化學的一項重要任務和方向。據統計，現在95%以上的有機化學品都來自石油和煤炭，但石油和煤炭的儲量有限，屬不可再生能源。同時，石油和煤炭的開發和加工又嚴重污染環境。

利用生物質（生物原料）（Biomass）代替當前廣泛使用的石油，是保護環境的一個長遠的發展方向。生物質主要由淀粉及纖維素等組成，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，通過纖維素酶等轉化為葡萄糖難度較大。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的苯開始來制造作為尼龍原料的己二酸取得了顯著進展。由于苯是已知的治癌物質，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，Gross首創了利用生物或農業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保問題，因此引起人們的特別興趣。其優越性在于聚合物原料單體實現了無害化，生物催化轉化方法優于常規的聚合方法，Gross的聚合物還具有生物降解功能。

（5）環境友好產品。采用新的工藝、新的原料、新的配方，合成新的對人類和環境無毒、無害的綠色產品是綠色化學的最終使命和終極目標。如開發新型的制冷劑，減少對臭氧層的破壞；開發新型的、可生物降解的高分子材料，解決“白色污染”問題在環境友好產品方面。

（6）從產品開發的途徑上考慮。傳統的化學工藝的開發是經過漫長的實驗探索，并不斷地改進、優化和完善。在這種研究模式下，必將消耗大量的化學試劑、溶劑和能源，并源源不斷地產生副產物和廢物。往往開發一條可行的化學工藝需要經過漫長的時間和消耗大量的人力、物力。目前，計算機輔助分子設計和材料設計是一門新興學科分支，并在實踐中取得了廣泛的發展和應用。如在有機合成和藥物合成中，科學家首先建立了一個已知的有機合成反應盡可能全的資料庫，然后在確定目標產物后，第一步找出一切可產生目標產物的反應；第二步把這些反應的原料作為中間目標產物找出一切可產生它們的反應路線；接著應用計算機智能技術優化出價廉、物美、不浪費資源、不污染環境的最佳反應路線；最后通過化學方法合成出所設計的目標分子。

四、綠色化學與可持續發展

實現可持續發展戰略已成為世界許多國家指導經濟、社會發展的總體戰略，即經濟的發展必須和人口、環境、資源統籌考慮。1987年世界環境與發展委員會提出采用可持續發展的總原則是：“今天的人類不應以犧牲今后幾代人的幸福而滿足其需要。”可持續發展的核心思想是在經濟發展的同時，注意保護資源和改善環境，合理地保護和改善環境為可持續發展提供物質基礎。環境對發展的約束是由于不合理的發展破壞了環境所致，而合理的發展又為治理環境提供了更多的技術和資金，綠色化學是可持續發展的有效途徑。

綠色化學提出全新產生綠色化學技術及驅動機制，從而提高了人類從事物質生產的能力。首先，它給人類、社會和自然環境帶來了積極影響，控制了污染在時間上的延續和空間上的擴展，為可持續發展起到了促進作用；其次，它為人類可持續發展提供了調節和制約的保護作用，它能夠不斷調整和平衡資源的有序開發和綜合利用，制約利用資源的速度和規模，揚長避短，變害為利，減少和克服人類社會發展過程中給自然所造成的負面影響，保護瀕于滅絕物種和不斷減少的使用資源，使人類社會和經濟增長協調發展；再次，它為可持續發展提供觀察和監測的規劃作用，如全球變暖、臭氧層被破壞等環境問題，需要全球各國共同努力，而綠色化學的功能恰恰能夠不斷地觀察和監測全球發展的表現和動向，對人類社會、經濟、生態環境的發展的決策和行動提供智力支持，從而形成有效的規劃藍圖。由此可見，綠色化學為人類的可持續發展提供了完整的體系和方式，是可持續發展的必由之路。

綜上所述，綠色化學徹底拋棄了“先發展、后治理”，發展經濟以犧牲環境為代價的發展模式，進而采用綠色的與環境友好相結合的發展模式，從源頭上堵住污染的產生，從根本上減少或消除污染，滿足了現代社會可持續發展的要求，是一條人口增長、經濟發展、社會進步、環境治理和節約資源相互協調發展的必由之路。

五、綠色化學的發展方向

從綠色化學的目標來看有兩方面必須重視：一是開發以“原子經濟性”為基本原則的新化學反應過程，二是改進現有化學工業，減少和消除污染。（1）新的化學反應過程研究；（2）傳統化學過程的綠色化學改造這是一個很大的開發領域；（3）能源中的綠色化學問題和潔凈煤化學技術；（4）資源再生和循環使用技術研究；（5）綜合利用的綠色生化工程如用現代生物技術進行煤的脫硫、微生物造紙及生物質能源等的研究。

六、未來展望

展望21世紀，我國的工業化、城市化將繼續發展，人口還要增加，對化學工業的需求也還將增多，而傳統化學工業雖在農藥、聚合物、材料科學、去污劑、石油添加劑、水處理、廢物處置等方面做出了巨大貢獻，但它也帶來了一個負面影響——環境污染，增加了對環境的壓力，而人民群眾對改善環境、提高生活質量的要求又越來越強烈。黨中央、國務院反復強調：“保護環境是我國的一項基本國策，是可持續發展戰略的重要內容，直接關系到現代化建設的成敗和中華民族的復興。”“加快經濟建設，決不能以破壞環境為代價，決不能把環境保護同經濟建設對立起來或割裂開來，決不能走先污染后治理的老路，那樣代價太大。”“防止資源浪費。”綠色化學以其“原子經濟性”為基本原則，一方面充分利用資源防止浪費，另一方面實現“零排放”，達到了不污染環境的效果。因此，它對于我國的現代化建設和人類未來生活都有著不可估量的巨大意義。只要我們提高科技水平，用好綠色化學技術，搞好搞活我國經濟，必須使我們祖國的水更清，天更藍，山川更秀麗，家園更美好，人民更健康。

參考文獻：

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［２］趙振.綠色化學——人類可持續發展的必由之路.

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