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浅谈绿色化学化工问题的发展和创新

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2018/5/30     浏览次数:    

  随着全球范围内人口的膨胀、能源和资源的短缺、环境污染问题的日益突出,世界各国政府以及人们在享受现代科学与技术给人们带来的巨大便利和快乐的同时,也逐渐意识到人们未来面临的巨大生存危机和困难。为了唤起人们对环境保护的重视和绿色产品和工程的关注,许多诸如可持续发展、循环经济、绿色产品、绿色化学等词汇大量涌现。尽管“绿色化学”这个词的使用频率非常之高,如政府、媒体、工厂、研究机构人员等均将其广泛使用于政府报告、规划、研究论文中。但是,象使用“纳米”一样,许多人只是更多将其作为一种“时髦”的词在使用,而对其真正含义以及其中一些深层次的问题,却不甚了解,甚至经常将其与环境保护、可持续发展以及循环经济混为一谈。这些问题不仅造成了绿色化学概念的滥用和混乱,而且还尚未引起人们,特别是学术界的普遍注意。基于这种情况,作者认为非常必要对绿色化学与化工的基本问题,诸如其定义、原理、它的本质、特征、研究范围、对象等以及产品和过程绿色度的定量评价等,应该有一个清晰的界定。而对其存在的问题,如离子液体等研究中出现的“绿色非绿”等问题,应该有清醒的认识,并力争去加以解决。

  特别需要说明的是:“绿色化学”与“绿色化学化工”概念相同,使用“绿色化学化工”是为了强调“绿色化学”与“化工”的关系。为此,作者结合绿色化学以及绿色化工发展现状及趋势,从绿色化学化工的基本问题出发,从多个角度或多个层面来谈谈绿色化学与化工的基本问题,希望能引起学术界和政府部门的重视和讨论,在大家讨论和争论的基础上,最终达到正本清源的效果。
  一、绿色化学化工基本问题的发展及研究进展
  1984 年美国环保局首先提出“废物最小化”,初步体现绿色化学的思想。而到1989 年美国环保局提出“污染预防”——绿色化学思想才初步形成,1990 年美国联邦政府通过“防止污染行动”的法令,将污染的防止确立为国策之后,才第一次出现“绿色化学”这个词汇。尽管这个词出现至今已近17年,但其含义,也即其定义却也在不断的发展和变化。刚出现时,它更多的是代表一种理念、一种愿望。但随着时间的流逝,它本身在不断的发展变化中逐步趋于实际应用,且其发展与化工密切相关。实际上,绿色化学代表了化学和化工学科的共同发展趋势和目标之一,即无论是化学还是化工,不仅要面对社会发展对环境、健康和能源等方面日益严格的要求,而且还要面临来自其他新兴学科前所未有的挑战。而绿色化学在连接化学与化工中所起的桥梁作用就体现得越来越明显。
  二、绿色化学和化工的发展趋势
  按照技术领域作者提出了绿色化工产品设计、新型反应技术、溶剂的绿色化及绿色溶剂等几个方面绿色化学和化工的发展趋势。
  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。因此,国家在这方面的法律法规对于产品设计的绿色化具有很大的影响。其中发达国家对于化工产品“绿色化”的要求,以及发展中国家受到“绿色壁垒”的限制,使得化工产品设计的绿色化成为必然趋势。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。由于大多数人只考虑到他们直接控制的产品生命周期部分,造成化工产品全生命周期的想法尚不能深入化学工业界。另外,化工产品设计的绿色化并没有成为企业发展的机遇,而更多的是企业被大环境所逼而致的。因此,绿色化设计的积极性急需提升。绿色化设计的标准和方法尚未建立也是其发展的重要障碍。还有新材料,如纳米材料的安全性等方面的问题。
  2.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。
  3.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。目前广泛使用的溶剂是挥发性有机化合物(VOCs),其在使用过程中有的会引起臭氧层的破坏,有的会引起水源和空气污染,因此需要限制这类溶剂的使用。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。
  本文在综述国内外绿色化学化工研究进展的基础上,分别从其定义、原理、评估标准,研究对象和内容,研究任务和目标等方面,尝试将绿色化学作为一门学科来进行全面的阐述,期望能够给大家展示一个不断发展的完整的绿色化学化工体系,引起学者和政府官员,以及大众对绿色化学化工有一个相对清晰的认识,并在讨论和争论得基础上促进绿色化学化工的健康发展。但由于绿色化学发展的历史还很短,涉及的面很宽,发展的速度很快,本文尚有很多有关绿色化学方面的论述并不全面,有些观点有待质疑。因此,本文抛砖引玉,期待更多的绿色化学工作者推进绿色化学这门学科进一步发展。
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