绿色化学和新的产业革命

绿色化学和新的产业革命

朱清时

(中国科技大学,合肥230036)

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　　摘要　绿色化学是从节约资源和防止污染的观点来重新审视和改革传统化学,它的发展能节省资源,减少环境污染,改善环境质量,促进经济持续、健康发展。

关键词　绿色化学,原子经济性,环境保护,造纸工业,石油化学

Greenchemistryandnewindustrialrevolution

ZhuQingshi

(ChinaScienceandTechnologyUniversity,Hefei230026)

Abstract　Greenchemistrymeansagreatcontributiontoeconomizingresourcesandreducingenvironmen2talpollution,andanexpectationofasustainedandhealthydevelopmentinnationaleconomy1

Keywords　greenchemistry,atomeconomy,environmentalprotection,paper2makingindustry,petrochem2istry

　　人类正面临有史以来最严重的环境危机,由于人口急剧增加,资源消耗日益扩大,人均耕地、淡水和矿产等资源占有量逐渐减少,人口与资源的矛盾越来越尖锐;此外,在人类的物质生活随着工业化而不断改善的同时,大量排放的生活污染物和工业污染物使人类的生存环境更加迅速恶化。

最近进行的一系列检测表明,我国城市儿童中已有一半左右的血铅含量超过了国际公认的铅中毒标准。血铅含量增高导致智能降低和注意力缺失,有关数据使我们震惊,我们的子孙后代已受到平均智能降低的严重威胁!关闭造成严重污染的一些工厂,可暂时缓解环境问题,但工人下岗造成了社会的不稳定,而且国外资本家可能趁机大量低价倾销,使我国民族工业面临威胁。因此,解决我国环境污染问题的根本出路是依靠科技进步。我们必须找到一条不破坏环境和可持续发展的道路。

当代全球十大环境问题是:①大气污染;②臭氧层破坏;③全球变暖;④海洋污染;⑤淡水资源紧张和污染;⑥土地退化和沙漠化;⑦森林锐减;⑧生物多样性减少;⑨环境公害;βκ有毒化学品和危险废物。其中至少有7个,即①～⑤、⑧、⑨直接

3中日科技经济交流学术讨论会(1996)报告,作者系中科院院士。

与化学和化工产品的化学物质污染有关。因此,从

根本上治理环境污染的必由之路是大力发展绿色化学。

化学可以粗略地看作是研究从一种物质向另一种物质转化的科学。传统的化学虽然可以得到人类需要的新物质,但是在许多场合中却既未有效地利用资源,又产生大量排放物造成严重的环境污染。绿色化学是更高层次的化学,它的主要特点是“原子经济性”,即在获取新物质的转化过程中充分利用每个原料原子,实现“零排放”,因此既可以充分利用资源,又不产生污染。传统化学向绿色化学的转变可以看作是化学从“粗放型”向“集约型”的转变。绿色化学可以变废为宝,可使经济效益大幅度提高。绿色化学及其带来的产业革命刚刚在全世界兴起,这场革命将持续到下一世纪,它对我国这样新兴的发展中国家更是一个难得的机遇。

1　目前绿色化学中的一些问题

111　研制对环境无害的和可以循环使用的新材料

工业化的发展为人类提供了许多新材料,它们在不断改善人类物质生产生活的同时,也带来了大

・4・1998年第1期　现代化工

量生活废物,使人类的生存环境迅速恶化。为了既不降低人类的物质生活水平,又不破坏环境,我们必须研制对环境无害的和可以循环使用的新材料。以塑料为例,据统计在1989年仅美国公司在包装上使用的塑料就超过54143亿kg(90年代数量进一步上升),打开包装后即被抛弃,这些塑料废物破坏环境是我们面临的一大问题:掩埋它们将永久留在土地中;焚烧它们会放出剧毒。近年来,美国转移污染,把塑料废物运往第三世界国家,近年在我国北京和上海发现并曝光的大量美国塑料垃圾就是一例。我国也大量使用塑料包装,而且在农村还广泛地使用塑料大棚和地膜,造成的“白色污染”也越来越严重。解决这个问题的根本出路在于研制可以自然分解或生物降解的新型塑料。目前国际上已有一些成功的方法,例如光降解塑料和生物降解塑料,前者已有美国杜邦公司生产。光生物双降解塑料研究是我国“八五”科技攻关的一个重大项目,目前已取得了一些进展。最近韩国一机构使用转基因方法,从高分子生产效率高的细菌中得到其遗传基因,将其转移到大肠杆菌中,使之大量繁殖,再从得到的大量的这类大肠杆菌中分离出高分子材料,用于制造可自然分解的塑料。这类新型塑料目前的价格还较高,若能进一步降低成本,形成大规模生产,可望普及。

112　绿色化学中的石油化学

机动车燃烧汽油和柴油产生的废气是大气污染的一大根源。国外为保护环境,对汽油和柴油的质量制定了严格的规格指标。例如1990年“美国清洁空气法”(修正案)规定,将逐步推广使用含氧汽油和新配方汽油,减少汽车排放一氧化碳和臭氧对空气的污染。汽油组成将发生深刻的变化,它不仅要求限制汽油的蒸气压、苯含量、芳烃和烯烃含量等,还要求在汽油中加入相当数量的含氧化合物,比如甲基叔丁基醚(MTBE)、甲基叔戊基醚(TAME)。这种新配方汽油的质量要求已推动生产汽油的有关石油化学工业的发展。我国近期只能先推广使用高辛烷值无铅汽油,与此同时,必须大力开展新配方汽油的研究。

柴油是另一重要的石油产品,新的“环境友好”柴油要求硫含量不大于0105%,芳烃含量不大于20%,同时十六烷值不低于40。这就要求将推动现有柴油加氢处理技术、开发新催化剂、改革工艺等来达到上述目的。现代化工　1998年第1期

此外,绿色石油化学还包含研制生物降解润滑油、采用无毒无害催化剂、减少炼油厂废碱排放和提高石油炼制工艺的选择性等问题。113　造纸工业中的绿色化学问题

造纸工业是国民经济不可缺少的重要领域。但是,造纸工业是我国环境污染最严重的三大产业之一,每年有毒有害废水的排放量高达50亿t,约占全国废水总量的1󰃗6,其中制浆黑液和漂白废水的总负荷占90%以上。

制浆造纸工业的污染问题既不能依靠国内现有的技术和装备,也不能仅仅通过简单地引进技术与装备得到解决。因此,我国必须发展新的无(少)污染制浆技术,包括机械法制浆技术和生化法制浆技术。生化法制浆得率高、能耗低、污染很少。因此,生化法制浆近年来已成为生物学尖端技术,国内外均在加速进行研究。这类方法是:将生物技术用于制浆造纸,即从众多的微生物中筛选出能高效、专一地分散纤维的菌种,并经过生物技术处理使之适应工业化大规模生产的水平,其中有浸渍法制浆(Retting)和酶法制浆(EnygmaticPulping)。浸渍法是将细菌直接接种于纤维原料中,细菌在生长繁殖的同时分泌产生大量的酶,在酶的催化作用下使纤维分散。该方法简单,但需要大型发酵设备。酶法是在一定设备条件下培养某种细菌,使其产生大量的酶,经一定生物技术处理将酶浓缩后加到纤维原料中,通过酶解作用使纤维分散。两种方法均有工业应用。生化法制浆目前离大规模生产还有一定距离。另外,还存在占地面积大的缺点。

无污染漂白的技术是用不含氯的物质如O2、H2O2、O3等作为漂白剂对纸浆在中高浓条件下进行漂白,以代替目前我国造纸厂还在使用的严重污染环境的低浓纸浆氯化漂白和次氯酸盐漂白。114　制革工业中的绿色化学

目前,我国已跨入世界皮革出口大国行列,世界皮革工业重心转移到我国。制革工业的迅速发展也对环境造成了严重的污染,据不完全统计,我国现有大小皮革厂2万余家,污染问题日趋严重,已到了非治理不可的地步。

制革工业的污染源,一是由原料皮上除去的油脂、肉渣、毛和边角下料腐烂变质和化学水解造成的;另外是由制革生产过程中加入的化工材料带来的。对于原料皮废弃物妥善回收利用,如将边角蛋白质用于制造蛋白饲料、明胶、化妆品及提取胱胺

・5・

酸、精胺酸等,既能减轻或消除环境污染,又能有效利用废弃物,产生良好的经济效益;对于制革过程中产生的废弃物,多年来,国内外不断研究和寻找无毒、少毒的化工辅料及工艺技术,现已有产品问世和工艺技术推广应用。115　生产铅的绿色化学

迄今为止,世界上的金属铅几乎全部是火法生产的,火法炼铅具有较好的经济效益,但该法严重污染大气,散发的大量铅蒸气使操作工人严重铅中毒并污染附近环境、能耗高、能源利用率低;同时对矿石要求高,对一些低品位(铅含量<45%)和含有多种元素的复杂矿不能处理,资源不能充分利用。随着对环保要求日趋严格和能源的紧张,火法炼铅面临困难。

鉴于上述情况,近百年来国内外冶金工作者进行了湿法炼铅研究,试图彻底消除铅的污染,先后研究出几种方法,都没有实现工业化。自70年代末开始,中科院化冶所经过近20年的努力,研究成功了一种全新的清洁生产铅的工艺——碳酸化转化炼铅工艺,具有金属回收率高(金、银和铅回收率均达96%以上)、经济效益好、无三废污染、基建费用低和易于实现工业化等特点,并获得中国发明专利。116　洁净煤技术

我国是世界上最大的产煤国和消费国,煤炭作为能源在为国民经济做出巨大贡献的同时,也带来一系列环境污染问题。洁净煤技术旨在最大限度地利用煤这种能源,同时又实现排放污染物最少的目的。防治污染的洁净煤技术可分为:煤炭燃烧前的净化技术、燃烧中的净化技术、燃烧后的净化技术、煤炭的转化技术。这是一项多层次、多学科的技术的集成,其中有常规技术、高新技术和某些尖端技术,如用等离子体或离子束脱硫脱硝等。117　原子经济性是绿色化学的基础性问题为了节约资源和减少污染,合成效率成了当今合成方法学研究中关注的焦点。合成效率包括两个方面,一是选择性(化学、区域、非对映体和对映

体选择性),另一个就是原子经济性,即原料分子中究竟有百分之几的原子转化成了产物。

在大工业品生产中有很多原子经济性的典型例子,如氢甲酰化反应、甲醇羰化制醋酸、从丁二烯和HCN合成己二腈等。但在精细化工制品中却很少见,如溴化甲基三苯基膦分子中仅有亚甲基利用到产品中,即357份质量中只有14份质量被利用,从原子经济性角度考虑,是很不经济的,利用率只有4%,而且还产生了278份质量的“废物”氧化三苯膦。因此探索既具有选择性又具有原子经济性的合成反应,成了当今合成方法学研究的热点。

2　小结

绿色化学是化学家们的一项重要战略任务。从以上介绍的一些问题不难看出,绿色化学的根本目的是从节约资源和防止污染的观点来重新审视和改革传统化学,从而使我们对环境的治理可以从治标(即从末端治理污染)转向治本(即开发清洁工艺技术,减少污染源头,生产环境友好产品)。

随着全球性环境污染问题的日益加剧和能源、资源急剧耗竭对持续发展的威胁以及公众环境意识的提高,一些发达国家和国际组织认识到进一步预防和控制污染的有效途径是加强产品及其生产过程的环境管理。国际标准化组织(ISO)于1993年6月成立了环境管理技术委员会(TC207),要通过制定和实施一套环境管理的国际标准(ISO1400)规范企业和社会团体等所有组织的环境行为,以达到节省资源,减少环境污染,改善环境质量,促进经济持续、健康发展的目的。到1995年8月,ISO已有与环境管理体系和环境审计有关的5个标准进入国际标准草案(DIS)阶段,绿色化学是环境管理体系中一个关键的环节和重要组成部分。可以预见,绿色化学的发展不仅将对环境保护产生重大影响,而且将为我国的企业尽快与国际接轨创造条件。

(1997年10月收稿)

敬告读者

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1998年第1期　现代化工