試論綠色化學工藝的開發(fā)與應用

初小宇 張宏坤 姜濤 王鑫 杜宇虹黑龍江東方學院 黑龍江哈爾濱 150060

試論綠色化學工藝的開發(fā)與應用

初小宇 張宏坤 姜濤 王鑫 杜宇虹
黑龍江東方學院 黑龍江哈爾濱 150060

隨著經(jīng)濟日益增長，生活水平不斷提高的同時，人類出現(xiàn)了一個更重要的問題，就是環(huán)境污染。在環(huán)境污染上，其中化學工業(yè)的污染更為突出。對于化學工業(yè)怎樣趨于綠色化，已成為工業(yè)發(fā)展的前沿技術，開發(fā)與應用綠色化學工藝、減少化學污染對生態(tài)和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有深遠意義。

綠色化學工藝；開發(fā)；應用

傳統(tǒng)的化學工藝主要是以快速、最大生產(chǎn)、產(chǎn)生經(jīng)濟效益為目的，導致環(huán)境污染十分嚴重，造成很多城市的霧霾天氣，使得人們的生活環(huán)境質(zhì)量也越來越差，其主要原因就是工業(yè)廢氣的無節(jié)制排放，面對這種問題，綠色化學工藝成為著力研究的項目，通過對其研究，來改善化學反應過程、控制產(chǎn)生的有害物質(zhì)，保護生態(tài)環(huán)境、優(yōu)化工業(yè)技術。

一、綠色化學工藝的開發(fā)

“綠色科技”的理念被提出是在1992年的聯(lián)合國環(huán)境與發(fā)展大會上，指出：對環(huán)境污染不再是以往的局限于治理，而是要對其過程有效地控制，從源頭出發(fā)，杜絕污染。

綠色化學是對傳統(tǒng)化學的更新和發(fā)展，同時也是對傳統(tǒng)的化學的一個大挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)化學對環(huán)境的污染和對人體的健康的威脅可能從最開始選的原料到最后的產(chǎn)品發(fā)的整個過程。那么綠色化學的開發(fā)研究要也要從反應原料、反應溶劑、催化劑和開發(fā)綠色產(chǎn)品等角度著手。

1.采用無毒無害的原料

在化工生產(chǎn)過程中，原材料的選擇直接影響到后續(xù)生產(chǎn)過程和方法。為使得制得的中間體具有一定的官能團和反應性，還有很多化學工業(yè)生產(chǎn)的原料使用有毒有害的。過去氨基二乙酸鈉制備的過程中，原料是有毒的光氣和氫氰酸，由Monsanto公司開發(fā)了通過二乙醇胺為原料，催化脫氫的作用下，合成氨基二乙酸鈉的新工藝，改變了以前的合成路線，并避免使用劇毒的氫氰酸和其他原材料,環(huán)境危害小。

在生產(chǎn)橡膠防降解劑化學品中會合成4-ADPA中間體，在這個過程中，開發(fā)了一個環(huán)境友好路線，代替以往的氯化反應，既減少了廢物的排放，同時也消除了大量有毒氯氣的儲存、使用和處理。

防止源頭環(huán)境污染，我們應當選擇可再生的一些農(nóng)作物或者野生植物等作為原料。可以把農(nóng)作物廢物的秸稈、稻草、木屑等加工成醇、酸、酮類的化學品。

2.采用無毒無害的溶劑

在化工生產(chǎn)中，會用到各類的化學溶劑，水是無毒無害的溶劑，而且最為廉價，但對化工生產(chǎn)中的有機物溶解能力差，不適合作有機化工中的溶劑，目前還是大量的化學試劑，其中很多都是危險的化學溶劑，包括毒性、易燃、易爆，還有很多是致癌物質(zhì)，具有很強的揮發(fā)性，對人的健康和環(huán)境造成的影響很大。在過去，有很多有機鹵化物如氯甲烷、氯仿和四氯化碳等具有良好的溶解度，而被大量用作溶劑，但其中一些劇毒和難降解的，對水環(huán)境和人類健康造成嚴重的損害。

目前，無毒無害溶劑的開發(fā)研究中，最為活躍的是超臨界流體，超臨界CO2流體具有液體的密度，氣體的粘度，使用超臨界流體二氧化碳作為溶劑，無毒、無害、安全環(huán)保，是取代傳統(tǒng)揮發(fā)性有機溶劑和添加劑的理想替代品。作為表面清潔劑替代氯化物清潔劑，泡沫發(fā)泡劑、油漆噴霧，很多已經(jīng)應用于工業(yè)生產(chǎn)。除了超臨界二氧化碳，水是一種更理想的無毒無害的溶劑，近年來發(fā)展的超臨界水的研究正在進行中。

3.采用無毒無害的催化劑

目前實現(xiàn)了的工業(yè)生產(chǎn)的化學反應90%以上的需要加入催化劑，來提高反應速率，合理選擇和應用的催化劑是一個化學反應過程是關鍵技術之一。目前常用于烷基化反應的是氫氟酸和硫酸等催化劑，對設備腐蝕嚴重，與此同時，廢液廢渣污染環(huán)境，危害人類健康。多年來國內(nèi)外對分子篩、超強酸、多酸等催化物質(zhì)的研究有了一定的發(fā)展，開發(fā)了固相烷基化催化劑，乙苯液相烷基化技術，使用的催化劑是一種新型分子篩催化劑，催化劑選擇性很高，提高乙苯的效率。

在生產(chǎn)鄰苯二酚過程中，采用酶E.Coli作催化劑，將葡萄糖活化，然后可以定向的轉化為鄰苯二酚。這種工藝可以有效的避免了使用有毒有害原料和試劑，也不產(chǎn)生過多的廢棄物，對環(huán)境也沒有危害，所以用生物酶作為催化劑代替?zhèn)鹘y(tǒng)的化學催化劑是個很好的綠色化學工藝方向。

4.提高反應的選擇性

在石油化工中大部分的反應都是烴類選擇性氧化反應，而形成的產(chǎn)物都是一些不穩(wěn)定的中間體，這些中間體會很容易的被進一步氧化，其催化反應選擇性是同類反應中最低的，還有一些產(chǎn)品會產(chǎn)生一些異構體形式，想要獲得更多目的產(chǎn)品，就需要使用選擇性高的試劑。提高反應的選擇性，不僅要依據(jù)烴類反應特點，還要能夠節(jié)約資源、減少對環(huán)境的危害、還要降低生產(chǎn)的成本，而且最后產(chǎn)品的處理包括分離、提純的難度也不要太大。所以現(xiàn)在開發(fā)綠色工藝基于根據(jù)不同的氧化反應，開發(fā)新型的催化劑；還有一種是基于催化劑使用時的反應特點，研發(fā)對應的生產(chǎn)工藝。

生產(chǎn)苯乙烯最廣泛使用的生產(chǎn)方法是乙苯脫氫，目前已有企業(yè)，開發(fā)了以丁二烯為原料來生產(chǎn)苯乙烯，代替乙苯脫氫生產(chǎn)苯乙烯，可以使其內(nèi)部中間產(chǎn)物的轉化率為90%以上，并且使用的催化劑將中間體氧化為苯乙烯單體的選擇型超過了92%。Mobil公司開發(fā)的甲苯歧化工藝，利用新的硅改性催化劑，使得對二甲苯的選擇型高達98%。

5.開發(fā)“原子經(jīng)濟”反應

所謂的“原子經(jīng)濟”反應指的是反應物中所有的原子均全部轉化為產(chǎn)物中的原子，體現(xiàn)100%的選擇性，用于衡量袁總轉化率的大小。實際上，原料的利用潛力及其對環(huán)境的影響，與化學反應的類型相關，有一些反應就沒有雜物的產(chǎn)生，例如，重排反應與加成反應，就沒有副反應和廢物產(chǎn)生，所有的反應物均轉換成最終產(chǎn)物，具有很強的的原子經(jīng)濟性?！霸咏?jīng)濟”反應是綠色化學工藝首選的反應類型，且反應的實現(xiàn)還與新型催化劑的應用密切相關。某些有機產(chǎn)品的生產(chǎn)，如甲醇碳化制醋酸、丙烯腈甲酰化丁醛、己二腈合成、乙烯氧化生產(chǎn)環(huán)氧乙烷等，這些反應都是“原子經(jīng)濟”反應。而且現(xiàn)在很多的反應，已然能在原子水平上進行化學品的合成，使得反應更綠色化。

二、綠色化學工藝的應用

1.綠色化技術的應用

綠色化技術也就是清潔生產(chǎn)技術，體現(xiàn)在無毒無害，沒有廢物的產(chǎn)生，生產(chǎn)過程對人體沒有危害?，F(xiàn)在的綠色化技術主要有，清潔的煤氣化技術；利用風能、水能、太陽能等技術發(fā)電；生物制造沼氣技術；生活垃圾分類無害化處理以及目前的脫硫、脫碳技術等都是典型的綠色化技術。

在工程技術上比較顯著的還有輻射加工技術、生物工程技術、超臨界流體技術等綠色化技術，應用清潔生產(chǎn)技術去獲得產(chǎn)品，不但產(chǎn)品為綠色化，而且從產(chǎn)品設計到生產(chǎn)過程對環(huán)境和人體沒有危害。

2.生物工程技術的應用

生物工程技術主要包括細胞、基因、酶、微生物等綠色科技、為了實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的綠色化，很多化學工業(yè)將生物技術應用在化工生產(chǎn)。酶催化劑在化工生產(chǎn)中使用已經(jīng)很廣泛了，它具有良好的選擇性、無毒無害、具有廣闊的應用前景的生物合成物質(zhì)。生物技術合成的化學物質(zhì)來大都來自可再生資源，是綠色化學技術發(fā)展方向之一。早期化學材料大多是來自可再生植物、動物，后來發(fā)展石油和煤炭等不可再生資源為原料，對環(huán)境和人類健康造成巨大威脅，生物化學反應技術可以利用酶作為催化劑，以生物質(zhì)為原料生產(chǎn)有機化合物，可以緩解礦產(chǎn)資源耗竭的壓力，也可以減少對環(huán)境的損害。例如利用酶催化劑制備丙烯酰胺，丙烯腈反應完全，沒有副產(chǎn)物。

合成洗滌劑中三聚磷酸鈉在使用過程中具有很好的作用，它是比較理想的助劑，洗滌劑中加入這種物質(zhì)可以大大的提高了洗滌效果，但是磷洗滌劑對富養(yǎng)化有一定推進作用。酶作為一種生物制品無毒并能完全降解，對環(huán)境無污染，同時對人體沒有健康威脅。近年來開發(fā)的包裹技術、保護劑技術、微膠囊技術，進一步提高了酶對人體的安全性和酶活力的穩(wěn)定性。酶的作用越來越得到廣泛關注，已然發(fā)展與表面活性劑、助劑等具有同等的作用，并且對環(huán)境沒有污染，是合成產(chǎn)品綠色化。

3.生產(chǎn)綠色產(chǎn)品

綠色產(chǎn)品指的就是環(huán)境友好型產(chǎn)品，目前有很多典型的例子，例如能夠取代氟氯昂的化學產(chǎn)品，可以保護大氣臭氧層；防止白色污染的生物降解塑料；植物殺蟲劑，清潔汽油等。日常生活中使用的聚苯乙烯發(fā)泡塑料餐盒，使用后成為垃圾，而且需要很久的時間才能降解，對環(huán)境帶來嚴重中污染。為了加速它降解，在生產(chǎn)時可以加入光敏劑，化學助劑等，餐盒使用后幾個月內(nèi)就可以完全降解成無害物質(zhì)。

目前的化妝品種類繁多，主要的產(chǎn)品都是從天然的原料，例如從植物提取有效成分，利用生物技術生產(chǎn)和制造化妝品。天然綠色生物材料甲殼素/甲殼胺的降解形成甲殼低聚糖，具有獨特的生理活性，把它合成化妝品對皮膚毛發(fā)具有很好的效果，而且無公害，不污染環(huán)境。

現(xiàn)在醫(yī)學用化學品相對也是較多，它的要求比工業(yè)上的更為高級，將綠色化學工藝技術應用于醫(yī)藥上也是一種新型的、而且很重要的發(fā)展方向。

結論

國家乃至全球已經(jīng)對環(huán)境問題相當重視，就需要大力開發(fā)和應用化學工藝，目前已成為化學工業(yè)的大趨勢，要采用無毒無害的原料、采用無毒無害的溶劑等綠色工藝，只有將綠色化學工藝全面取代傳統(tǒng)工藝，才可以使化學工業(yè)走上可持續(xù)發(fā)展道路。

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Tentative Study on the Green Chemical Technology Development and Application

Chu Xiaoyu; Zhang Hongkun; Jiang tao;Wang Xin;Du Yuhong，East University of Heilongjiang，Heilongjiang Harbin，150060

With the increasing economic growth, at the same time, rising living standards, the human face with a more important question, is the pollution of the environment. On the pollution of the environment, chemical industrial pollution is more outstanding. For how to tend to be more green chemical industry, has become the forefront of the industry development technology, development and application of green chemical technology, reduce chemical pollution on the sustainable development of ecology and environment has profound signif cance.

green chemical technology；Development；application

T

A

初小宇（1987～），男，漢，哈爾濱黑龍江東方學院，助教，研究方向：化學工藝。