環(huán)境與發(fā)展綠色化學(xué)的歷史演變

環(huán)境與發(fā)展綠色化學(xué)的歷史演變

在21世紀(jì)，環(huán)境和發(fā)展成為世界的主題。目前人類正面臨著有史以來最嚴(yán)重的環(huán)境危機(jī),世界人口劇增,資源和能源日漸減少與瀕臨枯竭,大量排放的工農(nóng)業(yè)污染物和生活廢棄物使人類生存的生態(tài)環(huán)境迅速惡化,使人與自然矛盾激化。綠色象征人與自然的和諧,綠色化學(xué)是人類生存和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。環(huán)境保護(hù)運(yùn)動(dòng)促進(jìn)了綠色化學(xué)的發(fā)展,保護(hù)生態(tài)環(huán)境,加強(qiáng)污染治理已成為世界各國人民的共同心聲和關(guān)注的大事,環(huán)保法規(guī)的頒布推動(dòng)了綠色化學(xué)的興起和發(fā)展。目前全世界的化學(xué)化工產(chǎn)品已達(dá)到7萬種之多,化工總產(chǎn)值約一萬億美元(中國約5000億人民幣),在生產(chǎn)使用這些化學(xué)產(chǎn)品的過程中,產(chǎn)生了大量的廢棄物,全世界目前每年產(chǎn)生3-4億噸危險(xiǎn)廢物。此外,一系列的污染和公害事件如1944年美國洛杉機(jī)的光化學(xué)污染事件;1948年日本的水俁病事件;1955年日本的米糠油中多氯聯(lián)苯中毒事件;1984年印度的Bhopal工廠甲基異氰酸泄露事件;1994年我國淮河干流的特大污染事件等都與化學(xué)物質(zhì)或其生產(chǎn)過程有關(guān),給人類、環(huán)境帶來了巨大的損失?？梢?化學(xué)工業(yè)在環(huán)境污染中占有特殊重要的地位,綠色化學(xué)也就是在這樣的背景下產(chǎn)生的。綠色化學(xué)是指化學(xué)反應(yīng)過程以“原子經(jīng)濟(jì)性”為基本原則,即在獲取新物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)中充分利用參與反應(yīng)的每個(gè)原料原子,實(shí)現(xiàn)“零”排放,不產(chǎn)生污染。采用無毒無害的溶劑、助劑和催化劑,生產(chǎn)有利于環(huán)境保護(hù)、社會(huì)安全和人身健康的環(huán)境友好的化學(xué)品。綠色化學(xué)的研究內(nèi)容是以研究原料、試劑、溶劑的選擇,設(shè)計(jì)綠色化學(xué)產(chǎn)品及開發(fā)綠色催化劑為主要內(nèi)容的一門科學(xué)。1綠色化學(xué)成為社會(huì)發(fā)展的重要環(huán)綠色化學(xué)是當(dāng)今國際科學(xué)研究的前沿,曾在1984年美國環(huán)保局(EPA)提出“廢物最小化”,基本思想是通過減少產(chǎn)生的廢物和回收利用廢物以達(dá)到廢物最少,這是綠色化學(xué)的最初思想。但廢物最小化有一定的局限性,因?yàn)樗饕且粋€(gè)與有害廢物有關(guān)的術(shù)語,包括廢物的回收利用,而未能將注意力集中在生產(chǎn)過程上。因而,1989年美國環(huán)保局又提出了“污染預(yù)防”的概念,污染預(yù)防是指最大限度地減少生產(chǎn)場地產(chǎn)生的廢物,它包括減少使用有害物質(zhì)和更有效地利用資源,并以此來保護(hù)自然資源。至此,綠色化學(xué)的思想初步形成。1990年美國頒布污染防治案,并確立為國策,推動(dòng)了綠色化學(xué)在美國的迅速興起和發(fā)展。1994年7月美國政府頒布了“面向可持續(xù)發(fā)展的未來技術(shù)”報(bào)告,指出環(huán)境技術(shù)要利于實(shí)現(xiàn)國家目標(biāo),環(huán)境發(fā)展的重心是預(yù)防而不是治理已經(jīng)發(fā)生的污染。1995年3月16日,美國政府宣布設(shè)立“總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎(jiǎng)”第一屆頒獎(jiǎng)。1997年由美國國家實(shí)驗(yàn)室、大學(xué)和企業(yè)聯(lián)合成立了“綠色化學(xué)院”。美國化學(xué)會(huì)成立了“綠色化學(xué)研究所”。1993年加拿大聯(lián)邦政府就制定了綠色計(jì)劃,并被列入聯(lián)邦重大科技計(jì)劃。日本政府非常重視以先進(jìn)技術(shù)節(jié)約能源和資源,倡導(dǎo)以綠色技術(shù)推動(dòng)綠色革命,制定了以環(huán)境無害制造技術(shù)等綠色化學(xué)為內(nèi)容的“新陽光計(jì)劃”提出了“簡單化學(xué)”的概念,即采用最大程度節(jié)約能源、資源和減少排放的簡化生產(chǎn)工藝過程來實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)。1990年7月27日,日本成立了由工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和政府組建的地球創(chuàng)新技術(shù)研究院(RITE),還成立了“日本化學(xué)創(chuàng)新研究院”(JCII),其目的是通過工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和政府共同努力來實(shí)現(xiàn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。1996年國際學(xué)術(shù)水平最高的戈登會(huì)議(GordonConference)第一次以“環(huán)境無害的有機(jī)合成”為題,討論了原子經(jīng)濟(jì)反應(yīng),環(huán)境無害溶劑等。同年美國化學(xué)會(huì)主席RonaldBrealow發(fā)表了“化學(xué)的綠色化”的評論文章,指出了綠色化學(xué)的重要性和社會(huì)發(fā)展的方向。1996年第一部綠色化學(xué)文集《綠色化學(xué):為環(huán)境而設(shè)計(jì)化學(xué)》(GreenChemistry:DesigningChemistryfortheEnvironment)在美國出版;另一部專著《綠色化學(xué):無害化學(xué)合成和過程的新領(lǐng)域》(GreenChemistry:FrontiersinBeniginChamicalsynthesesprocesses)于1998年出版。1997年底德國聯(lián)邦政府正式通過了一個(gè)名為“為環(huán)境而研究”的計(jì)劃。歐洲、拉美地區(qū)也紛紛制定了綠色化學(xué)與技術(shù)的科研計(jì)劃,綠色化學(xué)與技術(shù)已成為世界各國政府關(guān)注的最重要的問題和任務(wù)之一。2002年9月南非約翰內(nèi)斯堡全球可持續(xù)發(fā)展峰會(huì)后,產(chǎn)業(yè)界特別是化學(xué)工業(yè)界,要求以綠色化學(xué)為準(zhǔn)則進(jìn)行改革的呼聲越來越高。2002年是綠色化學(xué)發(fā)展的重要的一年,世界各國召開了多次國內(nèi)或國際性綠色化學(xué)會(huì)議,在美國化學(xué)學(xué)會(huì)(ACS)和其他一些會(huì)議上都舉辦了綠色化學(xué)專題研討會(huì)。2廢棄塑料污染了土地的危害據(jù)統(tǒng)計(jì),我國總能源利用年僅為30%左右,礦產(chǎn)資源利用年為40-50%,社會(huì)最終產(chǎn)品僅占投入量的20-30%,單位國民生產(chǎn)總值能耗是發(fā)達(dá)國家的3～4倍,主要工業(yè)產(chǎn)品能源原材料消耗比國外先進(jìn)水平高30～90%。煤炭燃燒是產(chǎn)生煙塵、酸雨和溫室效應(yīng)的主要根源,燃煤產(chǎn)生的煙塵約占全國總排放量的90%;SO2占85%;NOx(NO為主)占65%;CO2占85%,中國已成為典型的煤煙型污染國家。全國50座大城市中大氣質(zhì)量符合國際標(biāo)準(zhǔn)的不到1%,1998年全世界污染最嚴(yán)重的十大城市,中國有七個(gè)(太原、北京、烏魯木齊、蘭州、重慶、濟(jì)南、石家莊),全球污染最嚴(yán)重的20個(gè)大城市中,中國占了半數(shù),北京名列第三;由于盲目過量和不合理施用化肥、農(nóng)藥,導(dǎo)致土壤貧瘠化加劇,許多地表水域呈“富氧化狀態(tài)”,廢棄塑料已帶來“白色污染”;鉛中毒也是我國面臨的嚴(yán)重污染,我國城市兒童已有一半左右的血鉛含量超過國際標(biāo)準(zhǔn),工業(yè)區(qū)的兒童中毒率更高,上海、沈陽工業(yè)區(qū)兒童血鉛全部超標(biāo),交通要道小學(xué)生血鉛含量超過國際標(biāo)準(zhǔn)的3～4倍。面對嚴(yán)峻的現(xiàn)實(shí),為促進(jìn)中國進(jìn)一步發(fā)展,參與國際競爭,1994年我國制定了《中國二十一世紀(jì)議程》,提出必須走持續(xù)發(fā)展之路;1998年,在合肥舉辦了第一屆國際綠色化學(xué)高級(jí)研討會(huì),《化學(xué)進(jìn)展》雜志出版了“綠色化學(xué)與技術(shù)”專輯;1999年在成都舉辦了第二屆國際綠色化學(xué)高級(jí)研討會(huì),出版了《綠色化學(xué)與技術(shù)》專著,2000年、2001年分別舉辦了第三、第四屆國際綠色化學(xué)高級(jí)研討會(huì)議。我國在高原子經(jīng)濟(jì)性特別是過渡金屬催化的有機(jī)合成方法等方面開展了一些高水平的工作,如過渡金屬催化的炔烴異構(gòu)化反應(yīng),烯烴的分子內(nèi)成環(huán)反應(yīng)等原子利用率都為100%,這方面的工作已被各國科學(xué)家廣泛應(yīng)用于目標(biāo)分子的合成中,在國際上有一席之地。在“九五”重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目“環(huán)境友好石油化工催化化學(xué)與化學(xué)反應(yīng)工程”中,對基本有機(jī)化學(xué)品生產(chǎn)技術(shù)的綠色化進(jìn)行了導(dǎo)向性的基礎(chǔ)研究,現(xiàn)已取得階段性的成果。我國在綠色化學(xué)的另一個(gè)熱點(diǎn)領(lǐng)域,從手性配體的合成到不對稱催化的不對稱合成方面做了大量工作。另外我國在超臨界流體方面也作了許多工作,包括化合物在超臨界CO2中的物理化學(xué)行為方面,超臨界CO2中的催化反應(yīng)和聚合反應(yīng)方面的工作也有一定的影響。在多相催化研究方面,我國也有長期的積累和學(xué)術(shù)水平較高的研究隊(duì)伍,因?yàn)閷?shí)現(xiàn)綠色化學(xué)的一個(gè)重要科學(xué)基礎(chǔ)是催化,化學(xué)工業(yè)的90%以上的過程涉及催化技術(shù),催化劑在實(shí)現(xiàn)綠色化學(xué)中起著非常重要的作用。據(jù)化工部科學(xué)技術(shù)研究院權(quán)威人士預(yù)言,本世紀(jì)將是生物技術(shù)的世紀(jì),伴隨著生物技術(shù)發(fā)展而誕生的生物化工的產(chǎn)業(yè)雛形已經(jīng)形成,并代表了現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的發(fā)展方向。我國生物化工產(chǎn)業(yè)水平能否快速提高,已成為影響我國化學(xué)工業(yè)二十一世紀(jì)持續(xù)發(fā)展和趕超先進(jìn)水平的重要因素之一。為此,國家已將生物化工列入化學(xué)工業(yè)的發(fā)展重點(diǎn)并已在許多方面取得進(jìn)展?？傊?我國在綠色化學(xué)研究方面有一支素質(zhì)很高的科研隊(duì)伍,研究工作在國際學(xué)術(shù)界已有一定影響。3控制污染源。在做綠色化學(xué)的研究主要是圍繞化學(xué)反應(yīng)、原料、催化劑、溶劑和產(chǎn)品的綠色化開展的。近年來已經(jīng)在綠色化學(xué)的研究中取得了許多重要成果。綠色化學(xué)的核心是利用化學(xué)原理從源頭消除污染。過去已發(fā)明的處理廢棄物,治理污染源,減少毒害物暴露或排污等新技術(shù)、新方法都是末端污染控制而不是始端預(yù)防。雖然它對環(huán)境保護(hù)、人類社會(huì)的發(fā)展具有一定進(jìn)步意義,但不屬于綠色化學(xué)。人類為了生存,必須創(chuàng)造一個(gè)美好清凈的環(huán)境,才能使經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、社會(huì)能夠持續(xù)發(fā)展。因此,綠色化學(xué)是實(shí)施始端污染預(yù)防,保護(hù)環(huán)境,維持生態(tài)平衡的新科學(xué)技術(shù)手段。隨著綠色化學(xué)的深入研究,它對人類發(fā)展的貢獻(xiàn)也越來越體現(xiàn)出其重要意義,近年來的研究成果主要體現(xiàn)在以下幾方面:3.1反應(yīng)原料的綠色化3.1.1清潔化燃燒,絕大變潔凈能源技術(shù)是綠色化學(xué)發(fā)展的重要領(lǐng)域,煤炭潔凈技術(shù)的研究在三個(gè)方向上展開:煤的高效和潔凈化燃燒;煤的拔頭工藝生產(chǎn)液體燃燒;煤制造合成氣。同時(shí),為了杜絕能源對環(huán)境的污染,核電也將成為我國補(bǔ)充能源之一,因?yàn)榕c燒煤或燒油的火力發(fā)電相比,核能是相對清潔的能源。它不產(chǎn)生大量的煙塵,不排放大量二氧化碳和二氧化硫。另一方面,太陽能也是不可缺少的能源。3.1.2氧化碳等3種催化劑烴類選擇性氧化為強(qiáng)放熱反應(yīng),目的產(chǎn)物大多是熱力學(xué)上不穩(wěn)定的中間化合物,在反應(yīng)條件下很容易被進(jìn)一步深度氧化為二氧化碳和水,其可控性是各類催化反應(yīng)中最低的。這不僅造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染,而且給產(chǎn)品的分離和純化帶來很大困難,使投資和生產(chǎn)成本大幅度上升。所以,控制氧化反應(yīng)深度,提高目的產(chǎn)物的選擇性始終是烴類選擇氧化研究中最具挑戰(zhàn)性的難題。3.2環(huán)氧乙烷基原子經(jīng)濟(jì)反應(yīng)理想的原子經(jīng)濟(jì)反應(yīng)是原料分子中的原子百分之百地轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物,不產(chǎn)生副產(chǎn)物或廢物,實(shí)現(xiàn)廢物的“零排放”。1991年美國著名化學(xué)家特洛斯特(Trost)提出了原子經(jīng)濟(jì)性概念,目前,在基本有機(jī)原料的生產(chǎn)中,有的已采用原子經(jīng)濟(jì)反應(yīng),如丙烯氫甲酰制丁醛、甲醇羰化制醋酸、丁二烯和氫氰酸合成己二睛等。另外,有的基本有機(jī)原料的生產(chǎn)所采用的反應(yīng),已由二步反應(yīng),改成采用一步的原子經(jīng)濟(jì)反應(yīng),如環(huán)氧乙烷的生產(chǎn),原來是通過氯乙醇法二步制備的,改為銀催化劑后,乙烯直接氧化成環(huán)氧乙烷的原子經(jīng)濟(jì)反應(yīng):,其原子利用率為100%,是綠色化學(xué)的典型工藝?？梢?催化反應(yīng)在開發(fā)有機(jī)合成環(huán)境友好工藝中起著重要作用。3.3加多里涌氧氧層空白氟里昂、哈龍類物質(zhì)破壞大氣平流層臭氧,是造成“臭氧層空洞”的主要因素。發(fā)達(dá)國家已于1994年和1996年分別全部停止使用哈龍類和氟里昂物質(zhì)。我國也開發(fā)應(yīng)用了一些無氟致冷技術(shù)。3.4微波輔助提取有機(jī)化合物光、電、熱等是引發(fā)和促進(jìn)有機(jī)反應(yīng)的有效手段,是綠色化學(xué)的方向之一。近年來,微波促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的研究已取得很大進(jìn)展。在有機(jī)合成方面,微波已成功的用于DielsAlder反應(yīng)、Claisen重排、縮合等許多重要的有機(jī)反應(yīng)。微波輔助提取也已廣泛得用于樣品中有機(jī)污染物、天然化合物和生物活性成分的提取等。酶反應(yīng)條件溫和、設(shè)備簡單、選擇性好、副反應(yīng)少、產(chǎn)品性質(zhì)優(yōu)良,又不形成污染,正在成為綠色化學(xué)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。3.5替代物的發(fā)展可降解塑料、環(huán)境友好農(nóng)藥、綠色燃料、綠色涂料、CFCs替代物等等都是很有發(fā)展的綠色產(chǎn)品,隨著技術(shù)的進(jìn)步,越來越多的產(chǎn)品將會(huì)取代原來的對環(huán)境有害的產(chǎn)品,這是很令人鼓舞。4綠色化學(xué)的發(fā)展趨勢4.1綠色催化的問題在原子經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)發(fā)展基礎(chǔ)上研究化學(xué)和催化基礎(chǔ)問題,即綠色合成和綠色催化問題。在設(shè)計(jì)新的綠色化學(xué)反應(yīng)時(shí),既要考慮產(chǎn)品性能,又要價(jià)格經(jīng)濟(jì),還要廢物或副產(chǎn)品產(chǎn)生最少,對環(huán)境無害。還可利用計(jì)算機(jī)來輔助設(shè)計(jì)化學(xué)反應(yīng)。4.2其他化工原料和產(chǎn)品由于人們越來越意識(shí)到化學(xué)工業(yè)過程的環(huán)境無害評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)重于經(jīng)濟(jì)效益評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),因此化學(xué)家正在積極探索各種新的方法,減少或徹底消除有害或有毒的化工原料、產(chǎn)品和廢物,研究出了各種替代光氣制造異氰酸酯的技術(shù),如由伯胺和二氧化碳或碳酸二甲酯制造異氰酸脂;由伯胺和一氧化碳進(jìn)行氧化羰化制造異氰酸酯;由硝基苯和一氧化碳還原羰基化制造異氰酸酯等等。4.3構(gòu)-效的生物處理技術(shù)用現(xiàn)代生物技術(shù)進(jìn)行煤的脫硫、微生物造紙以及生物質(zhì)等方面的研究。而研究植物生物質(zhì)與動(dòng)物生物質(zhì)的主要成分的立體結(jié)構(gòu)與酶催化降解過程之間的“構(gòu)-效”關(guān)系,不僅可以揭示生命現(xiàn)象中一些至關(guān)重要的化學(xué)機(jī)理,而且找到生物質(zhì)利用的綠色化學(xué)方法,從而不再使用生態(tài)循環(huán)鏈以外的能源和化工原料,從而做到生產(chǎn)和使用的一切東西都來自生態(tài)循環(huán)鏈,也可以在生態(tài)循環(huán)鏈中降解。這樣,對于生物質(zhì)的研究既能滿足人們的需求,又利于維持生態(tài)平衡。5綠色化學(xué)成分發(fā)展模式的觀念基礎(chǔ)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略呼吁人們改變傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式和消