何冰崎　蔣利華　劉晶晶

綠色化學(xué)(Green Chemistry),又稱為環(huán)境無害化學(xué)( Environmentally Benign Chemistry)、環(huán)境友好化學(xué)( Environmentally Friendly Chemistry)、清潔化學(xué)(Clean Chemistry)。是用化學(xué)的技術(shù)和方法減少或消滅那些對人類健康、社區(qū)安全、生態(tài)環(huán)境有害的原料、催化劑、溶劑和試劑、產(chǎn)物、副產(chǎn)物等的使用和產(chǎn)生。綠色化學(xué)的理想是不再使用有毒、有害的物質(zhì),不再產(chǎn)生廢物,不需處理廢物,是一門從源頭上阻止污染的化學(xué)。

一、綠色化學(xué)的重要性

迄今為止,化學(xué)工業(yè)的絕大多數(shù)工藝都是20多年前開發(fā)的。近年來,由于化學(xué)工業(yè)向大氣、水和土壤排放了大量有毒、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(xué)工業(yè)的排放量為13.6×109 kg,這導(dǎo)致加工費用從原材料、能耗和勞動力費用擴加了廢物控制、處理和埋放、環(huán)境監(jiān)測、達標(biāo)、事故責(zé)任賠償?shù)荣M用。從環(huán)保、經(jīng)濟和社會的要求看,化學(xué)工業(yè)不能再承擔(dān)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、消除污染的綠色化學(xué)。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,而綠色化學(xué)正是實現(xiàn)污染防止的基礎(chǔ)和重要工具。目前,綠色化學(xué)的研究已成為國外企業(yè)、政府和學(xué)術(shù)界的重要研究與開發(fā)方向,這對我國既是嚴峻的挑戰(zhàn),也是難得的發(fā)展機遇。

二、綠色化學(xué)在實際中的應(yīng)用

1.綠色化學(xué)在農(nóng)藥中的應(yīng)用

由于農(nóng)藥及其在環(huán)境介質(zhì)間傳遞所引起的污染很難根治,近年來研究者的注意力從農(nóng)藥的強殺傷力和廣譜性上逐漸轉(zhuǎn)移到高選擇性和環(huán)境友好型農(nóng)藥的研究上來,高效、安全的農(nóng)藥品種在市場上漸唱主角。在眾多的新型農(nóng)藥中,生物農(nóng)藥可以說是綠色農(nóng)藥的首選。 近年來,我國已經(jīng)生產(chǎn)了一些植物源農(nóng)藥,用于綠色食品生產(chǎn)中,如苦楝素、魚藤酮、苦參堿、藜蘆堿等,絕大部分植物源殺蟲劑都具有對人畜安全、不污染環(huán)境、不易使害蟲產(chǎn)生抗藥性等優(yōu)點。開發(fā)單一活性異構(gòu)體農(nóng)藥或降低產(chǎn)品中無效、低效性異構(gòu)體的比例是當(dāng)代農(nóng)藥生產(chǎn)的發(fā)展方向之一,如順式氰戊菊酯、順式氯氰菊酯的藥效分別是氰戊菊酯、氯氰菊酯的4倍和2～3倍。目前生物農(nóng)藥還不能實現(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn),進行大面積快速防治時效果不理想, 很難在短時期內(nèi)成為農(nóng)藥的主力軍。模擬天然物質(zhì)結(jié)構(gòu)合成、開發(fā)新劑型以及采用綠色合成技術(shù)生產(chǎn)低毒無害的綠色化學(xué)農(nóng)藥,將是未來農(nóng)藥的重要發(fā)展方向。

2. 綠色化學(xué)在洗滌劑中的應(yīng)用

多年來, 洗滌劑類化學(xué)品是最易引起社會公眾注意的一大類生活必需品。洗滌劑工業(yè)不僅要考慮產(chǎn)品的性能、經(jīng)濟效益, 還更需要有良好的環(huán)境質(zhì)量做保證。

表面活性劑對人體的溫和性、安全性及環(huán)境相容性一直為人們所關(guān)注,通過研究結(jié)構(gòu)性能關(guān)系進行分子設(shè)計, 開發(fā)和使用性能優(yōu)越、對人體溫和、生態(tài)友好的新型"綠色"表面活性劑已成為表面活性劑和洗滌劑生產(chǎn)商的生態(tài)責(zé)任。溫和型表面活性劑, 如烷基多苷(APG) 、醇醚羧酸鹽(AEC) 、脂肪酸甲酯磺酸鈉(MES) 、脂肪酸甲酯乙氧基化物(FMEE) 和葡糖酰胺(AGA) 等的用量將增大。

3.綠色化學(xué)在水處理中的應(yīng)用

在工業(yè)用冷卻水中加入高效穩(wěn)定劑,可將生產(chǎn)中的直流冷卻水(一次性用水) 改成循環(huán)冷卻水,從而節(jié)省大量的淡水資源。從綠色化學(xué)的角度考慮,新型緩蝕劑是用鉑酸鹽替代原來的鉻酸鹽和重鉻酸鹽,由脂肪胺替代芳香胺,其毒性和污染性都顯著降低,如用綠色產(chǎn)品聚天冬氨酸替代原來的有機磷酸鉻和磷酸鹽類。

中水是生活污水和工業(yè)污水經(jīng)綠色化學(xué)技術(shù)處理以后,可用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的非飲用水。近年來淡水資源日趨緊張,中水的生產(chǎn)越來越得到人們的重視,我國在北京、上海等地先后建成了具有一定規(guī)模的中水生產(chǎn)裝置。

4.綠色化學(xué)在有機合成上的應(yīng)用

1991年美國著名有機化學(xué)家Trost首先提出了原子經(jīng)濟性的概念,認為高效的有機合成應(yīng)最大限度地利用原料分子中的每一個原子,使之結(jié)合到目標(biāo)分子中,實現(xiàn)零排放。目前在大工業(yè)品中,如氫甲?；磻?yīng)、Ziegler-Natta 聚合、從丁二烯和氫氰酸合成己二腈等都是原子經(jīng)濟性反應(yīng)的典范。

5.綠色化學(xué)在輕化工業(yè)中的應(yīng)用

輕化工業(yè)的綠色化生產(chǎn),主要是指制革工業(yè)、造紙工業(yè)以及發(fā)酵工業(yè)的綠色化生產(chǎn)。僅造紙行業(yè)每年有害廢水的排放量就高達50億噸,占全國工業(yè)廢水總量的1/6,其中90%以上是難以降解的制漿黑液和漂白廢水(白液)。因此,一方面要研究開發(fā)源頭綠色化的輕化工業(yè)生產(chǎn)工藝技術(shù),另一方面要改造傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝,使之逐步綠色化。

鉻鞣仍然是皮革生產(chǎn)中使用的主要鞣制方法,鉻以及皮革中的三價鉻可能被氧化為致癌的六價鉻,對環(huán)境和人體健康危害嚴重。就目前的情況來看,采用單獨的無鉻鞣法還不能完全達到鉻鞣皮革的目的。但無鉻鞣應(yīng)該是未來的發(fā)展趨勢。THP鹽(Tetrakis Hydroxymethyl Phosphonium Salt,四羥甲基磷鹽) 是近年來比較受到關(guān)注的一種無鉻化鞣劑,由于它本身還具有阻燃、殺菌、防腐和助染等性能,可以在鞣制的同時賦予皮革更多的功能性,被認為是一種極具前途的有機鞣劑。蔣嵐等利用丙烯酸樹脂和THP鹽結(jié)合鞣制,得到皮革的收縮溫度可達到85℃。

6.綠色化學(xué)在分析化學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用

隨著環(huán)保意識的增強,人們發(fā)現(xiàn)化學(xué)分析全過程也是化學(xué)物質(zhì)污染排放源。傳統(tǒng)的樣品處理技術(shù),往往伴隨著大量的污染產(chǎn)生,特別是大量的廢酸、廢氣以及有機溶劑廢液,既危害環(huán)境又危害分析者的身體健康。因此,近年來人們致力于少用或不用有機溶劑和其他化學(xué)試劑,而是進行綠色分析化學(xué)技術(shù)的研究與開發(fā)。綠色分析化學(xué)正逐漸成為綠色化學(xué)的核心學(xué)科之一,化學(xué)分析的主要污染物來自于樣品處理,綠色樣品處理技術(shù)的研究與開發(fā)是綠色分析技術(shù)研究的重點,從微波消解(MWD)、微波萃取技術(shù)、固相萃取(SPE)、固相微萃取(SPME)、超臨界流體萃取(SPE)等方面達到綠色化。在綠色分析測試技術(shù)方面,一些測試技術(shù)能夠原位采樣和收集數(shù)據(jù),實現(xiàn)從樣品收集、準備,到分析測試的各個階段,都不需要任何溶劑,如X射線熒光分析法( XRF)、近紅外技術(shù)(NIR)、掃描電鏡(SEM)-能譜分析技術(shù)、電子探針( EMPA)技術(shù)和質(zhì)子熒光分析法( PIXE)等。還有一些測試技術(shù)需用樣品量、有機溶劑少,對環(huán)境污染小,如毛細管電泳(CE)、頂空氣相色譜等。

7.綠色化學(xué)在高分子材料中的應(yīng)用

高分子材料由于本身結(jié)構(gòu)的特點,不容易降解。2000年我國廢舊塑料在600萬噸以上,而回收利用率僅為10%。 實施高分子材料綠色工程是解決高分子材料帶來的環(huán)境問題的關(guān)鍵所在:首先在材料的合成制備階段,從源頭上制止廢棄的高分子污染,在分子鏈中引入對光、熱、氧、生物酶等敏感的基團。其次是利用無污染的物理方法來改善廢棄高分子材料的相容性和加工流變性,制備具有一定使用價值的廢棄高分子材料;或通過聚合物的可控解聚和降解,從廢棄材料中回收有經(jīng)濟價值的單體、低分子量油脂及其他化學(xué)品?？缮锝到馑芰习ü饨到馑芰?、生物降解塑料、光降解-生物降解塑料(目前公認的產(chǎn)品是聚乳酸),2002 年全世界生物降解塑料的市場已經(jīng)達到3.5萬～4.0萬噸。目前開發(fā)的生物降解塑料包括天然高分子的合成、微生物發(fā)酵合成以及化學(xué)合成三個大類幾十個品種,主要應(yīng)用于醫(yī)用材料(藥物送達和緩釋體系,可吸收性術(shù)后縫線,骨科用器材)、包裝材料(容器,薄膜、片材,發(fā)泡緩沖包裝材料,涂覆材料) 、農(nóng)用材料和水產(chǎn)用品。

8.綠色化學(xué)在能源中的應(yīng)用

我國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費國,煤炭為國民經(jīng)濟做出巨大貢獻的同時,也帶來了一系列的環(huán)境污染問題。

將生物物質(zhì)用作化學(xué)原料和能源是綠色化學(xué)的戰(zhàn)略目標(biāo)。地球上的綠色植物每年產(chǎn)生的碳氫化合物高達300 億噸以上,其能量儲備相當(dāng)于8萬億噸煤或8百億噸石油,且可在自然環(huán)境中降解。如可將淀粉或纖維素降解成葡萄糖,再用細菌發(fā)酵和(或)酶進行催化,生產(chǎn)出我們所需的化學(xué)物質(zhì)。Texas A&M 大學(xué)的Holtzapple M教授利用廢棄的生物物質(zhì)經(jīng)石灰消化處理,然后進行發(fā)酵,生產(chǎn)出有機化學(xué)品和燃料。此外,太陽能、水力能、海洋能、風(fēng)力能、生物物質(zhì)能均屬于清潔能源。我國水力能資源豐富,水力能實際可利用2.5億千瓦;全國陸地表面每年接受太陽能相當(dāng)于1.7億噸標(biāo)準煤的能量。如果能夠合理開發(fā)和利用這些清潔能源,既可以替代相當(dāng)部分的礦物能源,又可減少環(huán)境污染。

三、展望

目前的綠色化學(xué)還并不是完全的綠色化學(xué),從現(xiàn)有技術(shù)來看,很多綠色化學(xué)反應(yīng)僅僅是將污染盡可能地減少,并沒有達到綠色化學(xué)理論所說的那樣沒有污染。其次,很多反應(yīng)的原子利用率也很低,幾乎沒有一個反應(yīng)能同時滿足美國化學(xué)會提出的綠色化學(xué)的12項準則。今后,生物技術(shù)在綠色化學(xué)發(fā)展中將會占到很大的比例。如用基因工程菌來生產(chǎn)疫苗、藥物和化學(xué)品;用植物和動物的細胞或組織生產(chǎn)木質(zhì)素高分子材料、蛋白質(zhì)或脂肪酸高分子材料,來替代非生物降解或不完全生物降解的高分子材料及其他化學(xué)品;在酶工程方面,基于天然酶構(gòu)象的印跡酶、抗體酶等人工酶和定向進化后的酶分子,將會是今后研究的熱點內(nèi)容。化學(xué)反應(yīng)方面將沿著無害原料、綠色反應(yīng)條件、環(huán)境友好產(chǎn)品的方向發(fā)展。光化學(xué)和電化學(xué)的發(fā)展將更加受到重視,非有機溶劑反應(yīng)的研究將會吸引更多的科學(xué)家,固體酸堿將代替液體酸堿進行反應(yīng)和催化。

(作者單位:湖南省長沙環(huán)境保護職業(yè)技術(shù)學(xué)院)