摘要：从绿色化学的内涵和循环经济的特点出发,论述了要实现“以人为本”“全面、协调、可持续发展”及“统筹兼顾”的科学发展观,必须大力发展绿色化学。
关键词：绿色化学 环境保护 循环经济 可持续发展
1 传统化学制约了经济的可持续发展
1. 1 与环境保护的矛盾
长期以来人们受单纯经济观念的指导,导致地球环境全方位污染与生态平衡的严重失调:大气污染、臭氧层破坏、全球变暖、海洋污染、淡水资源短缺与污染、土地退化与荒漠化、森林锐减、生物多样性减少、环境公害、有毒化学品和固体废物公害,在这全球10大环境问题中,与化工有关的占7～9 个。据粗略统计,全世界每年度产生废物危险品约3～4 亿t ,我国工业有毒废水排放约300 亿t ,其中化工废水约80 亿t ,造成了江河及近海的大量水生动、植物的死亡与灭绝。由于大量排放CO2 破坏了大气层,近20 年来大气温度明显上升,由此而引发的气候拉尼娜现象、厄尔尼多现象屡屡发生。氟利昂的大量使用,使大气臭氧层遭到破坏。由于使用含铅汽油,城市已有1/ 2 儿童血铅含量超过国际公认的铅中毒标准,智力发展与神经系统已不同程度地受到损害。垃圾中以塑料为主的长期不可降解的“白色污染”严重损害了城市形象与人民的生活。人类生活中的各种食品添加剂、化妆品、保健品、洗涤剂、医药的使用,也不同程度地破坏了人类基本的生态平衡。抗菌素的滥用造成青少年的免疫力下降,癌症高发率也是环境污染的结果,而这些都和传统化工生产密不可分。美国TRI( Toxic Release Inventory) 统计结果也表明,化学工业为最大的有害物质释放工业,超过排在前10 名的其他9 个行业的总和。因此毫不夸张地说,传统化学既富了人类,也害了人类。面对上述危机,上世纪末国际化学化工界兴起了绿色化学[1 ]研究及应用绿色化工技术的一场革命。
1.2与资源、能源的矛盾
以石油和煤炭为代表的不可再生资源,经过短短200 年的工业革命以来,特别是近1/ 2 世纪的超强度使用已经面临匮乏,一组最能直观反映我国维持增长代价的数字是:我国每万元GDP 能耗与世界平均水平相比,竟高出2. 4 倍,2003 年我国煤炭消耗量已占世界煤炭消耗总量的30 % ,但创造的GDP 还不到世界总产值的4 % ,单位GDP 的金属消耗量是世界平均水平的2～4 倍。素称地大物博的中国,自己早就难以满足日益迅速膨胀的资源需求,仅在2003 年,就从海外进口了超过1 亿t 的石油和成品油、1. 4 亿多t 铁矿石。据测算,目前全球的石油和天然气的可采储量,其静态保障年限分别仅为40 年和60 年。如果考虑到我国的国际支付能力、对于资源的全球竞争力与安全保障能力,以及高消耗水平下产品的国际竞争力等因素,很显然,如果化学工业还是停留在大量使用和消耗能源和资源的模式上,不转变经济增长方式,中国的高增长是难以为继的。
1.3 出口产品遭遇“绿色壁垒”
我国安徽生产茶叶闻名遐迩,享誉海内外,然而2000年安徽省茶叶在欧盟市场全面受阻,原因是从2000年7月1日开始,欧盟对进口茶叶实施新的农残限量标准,其中对部分农药(如三氯杀醇等) 的限量指标提高了100 倍,个别的如氰戊菊酯甚至达200 倍。安徽茶叶农药残留虽与我国其它省分相比相对较低,但距欧盟的新标准要求仍相差甚远,由此,徽茶不可避免地受到了强劲的冲击。另有资料显示,我国加入WTO 后,国际市场上对纺织品和纺织化学品设置“绿色壁垒”的速度在加快[2 ] 。2003 年6 月到2004 年1 月的1/ 2 a 左右时间,国际市场对纺织品和纺织化学品先后出台了5 个新的“绿色壁垒”,它们涉及到纺织染料、纺织助剂、纺织用添加剂、纺织品和其他有害物质。对Eco —Tex Standard 100 的版本修改期从2 a 一次缩短到1 a 以下,检测与禁用的纺织化学品不断增加。因此,从环保、经济和社会的要求看,化学工业不能再承担使用产生有毒、有害物质的费用,需要大力研究与开发从源头上减少和消除污染的绿色化学。
2 绿色化学的基本概念、原理、内容和进展
2.1 绿色化学的基本概念
绿色化学又称环境无害化学( Environmentally Benign Chemistry) 、环境友好化学( Environmentally Friendly Chemistry) 、清洁化学( Clean Chemistry) 。绿色化学即是用化学的技术和方法去减少或消灭那些对人类健康、社区安全、生态环境有害的原料、催化剂、溶剂和试剂、产物、副产物等的使用和产生。绿色化学的理想在于不再使用有毒、有害的物质,不再产生废物,不再处理废物。它是一门从源头上阻止污染的化学[3 ] 。
2.2 绿色化学的基本原理
发展“绿色化学”技术的思想首先在欧美国家产生。1995 年,美国设立“绿色化学总统奖”,并设专门机构推动其发展。与此同时,欧洲也提出“可持续发展化学工业”的概念。日本紧随其后,于1998 年设立半官半民的“化学技术战略推进机构”,主张确立新的化学技术体系,并于2000 年提出“绿色可持续发展化学( GSC) ”的概念,即通过包括产品设计、原料选择、制造方法、使用方法及循环利用等技术的革新,保证“人与环境的健康与安全”和“能源和资源的节省”。
据中国环氧树脂行业在线(www. epoxy - e. cn) 了解,最近,美国《科学》杂志提出了绿色化学12 条原则,已被广泛认可:
(1) 预防废弃物的形成要比产生后再想办法处理更好。
(2) 应当研究合成途径,使得工艺过程中耗用的材料最大化地进入最终产品。
(3) 使用的原料和生产的产品都遵循对人体健康和环境的毒性影响最小。
(4) 研制的化学产品在毒性减少后仍应具备原有功效。
(5) 尽可能不使用一些附加物质(如溶剂、分离剂等) ,尽可能使用无害的物质,优选使用在环境温度和压力下的合成工艺。
(6) 能源的需求应当结合环境和经济影响,评价其影响应没有空间、时间限制,追求最小化。
(7) 技术、经济可行性论证,首选使用可再生原材料。
(8) 尽量避免不必要的化学反应。
(9) 有选择性地选取催化剂会比常规化学试剂出色。
(10) 研制可在环境中分解的化学产品。
(11) 开发适应实时监测的分析方法,为在污染物产生之前就施行控制创造条件。
(12) 化学工艺中使用和生成的物质,都应选择最大程度减少化学事故(泄漏、爆炸、火灾等) 。
从以上12 条原则可以看出,绿色化学是一门从源头上阻止污染的化学,它强调首选使用可再生原材料,全面实行原子经济性反应,实现物质的循环利用,提高资源的利用率,是循环经济的必由之路。
2.3 绿色化学的内容与进展
2.3.1 原子经济性反应
Trost在1991 年首先提出了原子经济性(Atom economy) 的概念,即原材料分子中究竟有百分之几的原子转化为产物。理想的原子经济反应是原料分子中的原子百分之百地转化成产物,不产生副产物或废物,实现废物的“零排放”。
2.3.2 采用无毒、无害的原料
产品目标确定后,选择无毒、无害的原料与中间体,例如用非光气法生产双酚A ,避免了剧毒物的产生;日本住友和旭化成公司以异丁烯取代剧毒的氢氰酸为原料的丙酮氰醇法合成聚甲基丙烯酸甲酯(MMA) [6 ] ;Shell 公司则开发出以丙炔为原料在钯催化剂作用下经羰基化酯化生产MMA 的绿色工艺,此法原料价格低,产品收率高。
2.3.3 在无毒、无害条件下生产
尽量不用、少用有毒、有害的溶剂和助剂,或采用环境友好的溶剂和助剂。现采用的主要方法有: ①采用无添加溶剂的固态化学反应,例如一种制造印刷线路板的全新工艺[7 ] ,其核心步骤是固相次磷酸铜的热分解反应,废除了传统工艺中SnCl2 溶液预处理,钯盐溶液的表面活化和洗涤及化学镀铜等一半多湿法步骤,大大减少了对环境的污染; ②采用无溶剂的液态反应,如(S) - 脯氨酸诱导的1 ,3 - 环己二酮的非对称化,即Hajos —Parrish 环化反应[8 ]也可以在无
溶剂存在条件下进行, 得到重要的手性砌块Wieland —Miescher 酮; ③以水为介质的有机反应,此反应因没用有机溶剂,不存在易燃易爆问题,操作更简便、安全,可以省去许多诸如官能团的保护和去保护等合成步骤,因此水是潜在的环境友好反应介质;④超临界流体(SCF) ,超临界流体对固体或液体的溶解能力较之在常温常压下可提高几十倍、甚至几百倍。另外超临界流体作反应介质能够及时溶解结焦前体,延长催化剂寿命,还可移动化学平衡,提高转化率。其中最为广泛使用的为非极性的CO2 ,其环境友好,化学性质稳定,无毒、无味、不燃、价廉、易于精制,不污染环境,也不会残留在产品中,且能耗较低。另外超临界水溶剂、离子液体等作为环境友好溶剂的报导也已出现。2. 3. 4 采用无毒、无害的催化剂，催化剂的绿色化研究是绿色化学中的重要内容。目前烃类的烷基化反应一般使用氢氟酸、硫酸、三氯化铝等液体酸催化剂,这些液体催化剂的共同缺点是
对设备腐蚀严重,危害人体,产生废渣,污染环境。多年来国外正从分子筛、杂多酸、超强酸等新催化材料中大力开发固体酸烷基化催化剂。
2.3.5 利用可再生资源合成化学品
利用植物提供的生物质(Biomass) 代替当前广泛使用的石油,是环境保护、实现可持续发展的方向。1996 年美国总统绿色化学挑战奖中的学术奖授予Taxas A & M 大学M. Holtzapple 教授[8 ] ,就是由于其开发了新技术,把废生物质转化成动物饲料、工业化学品和燃料。生物原料主要是纤维素、淀粉等,纤维素再生量大,每a 1. 0 ×1010 t ,具有易降解和高反应活性,科学家们已利用生物基因工程选择产油量高的树种,并利用新型催化裂解技术裂解纤维素提取“树木石油”,而淀粉易转化为葡萄糖,可生产酒精和其它化工产品,这些都起到了节约资源,保护环境的作用。
2.3.6 开发环境友好产品
有机化工产品对环境的影响相对于无机化工产品大,尤其是农药本身有毒,在应用中可通过生物链进入人体和生物体内,并逐渐积累,从而破坏了生态平衡,严重威胁着人体的健康。一种新的农药产品——仿生农药的研究得到农药技术开发工作者的高度重视,如开发拟除虫菊酯、拟原白头翁素及诱杀害虫的生物激素[9 ] 。罗姆—哈斯公司合成了无神经毒性的二酰基肼类杀虫剂,从而取代了有机磷酸酯杀虫剂获得了1998 年的总统绿色化学挑战奖中的“设计更安全化学品奖”。Dow Agro Science LLC公司发明的新型天然杀虫剂Spinosad 获得了1999 年的“设计更安全化学品奖”。传统染料工业对环境和人体的危害也相当严重,如染料成分2 - 萘胺、联苯胺和1 - 萘胺有很强的致癌作用。因此研究生产无毒害、上染率高的染料将会带来可观的经济效益和环境效益。目前,国内外研究较多的是:用非联苯胺型的双氨基化合物取代联苯胺系中间体所合成的染料;用多偶氮染料、杂环型直接染料等取代联苯胺系直接染料;用活性染料、硫化染料等其它类型染料取代胺系直接染料[10 ] 。
2．3.7 计算机辅助的绿色化学设计
计算机辅助的绿色化学设计是绿色化学的又一特点。随着分子结构与性能数据库的建立及分子模拟技术的发展,使得人们在化学分子设计、合成设计、实验控制与模拟中有了得力的助手和工具,利用大量实验数据进行综合分析,建立结构—活性关联的分子模型,为绿色化学品的设计提供保障,从而避免了茫然无边的实验探索,减少了能源和材料浪费以及由此造成的对环境的污染。如利用计算机辅助设计有机合成的方法已经越来越成熟。
3 绿色化学是循环经济的必然选择
3. 1 从循环经济的特点来看
循环经济是国际社会推进可持续发展的一种实践模式,它要求按照生态规律组织整个生产、消费和废物处理过程,其本质是一种生态经济。与传统经济模式相比,循环经济具有3 个重要的特点和优势:
第一,循坏经济可以充分提高资源和能源的利用效率,最大限度地减少废物排放,保护生态环境。传统经济是由“资源—产品—污染排放”所构成的单向物质流动的经济,在这种经济中,人们以越来越高的强度把自然资源和能源开采出来,在生产加工和消费过程中又把污染和废物大量地排放到环境中去,对资源的利用常常是粗放的和一次性的。循环经济倡导建立在物质循环利用基础上的经济模式,根据资源输入减量化、延长产品和服务使用寿命、使废物再生资源化等3 个原则,把经济活动组织成一个“资源—产品—再生资源—再生产品”的循环流动过程,使得整个经济系统从生产到消费的全过程基本上不产生或者少产生废弃物,最大限度地减少废物末端处理。
第二,循环经济可以实现社会、经济和环境的“共赢”发展。传统经济通过把资源持续不断地变成废物来实现经济增长,忽视了经济结构内部各产业之间的有机联系和共生关系,忽视了社会经济系统与自然生态系统间的物质、能量和信息的传递、迁移、循环等规律,形成高开采、高消耗、高排放、低利用“三高一低”的线性经济发展模式,导致许多自然资源的短缺与枯竭,产生大量和严重的环境污染,造成社会经济、人体健康重大损害。循环经济以协调入与自然关系为准
则,模拟自然生态系统运行方式和规律,实现资源的可持续利用,使社会生产从数量型的物质增长转变为质量型的服务增长;同时,循环经济还拉长生产链,推动环保产业和其他新型产业的发展,增加就业机会,促进社会发展。据1997 年日本通产省产业结构协会提出的《循环型经济构想》,到2010 年,发展循环经济将使日本新的环境保护产业创造近37 万亿日元产值,提供1 400万个就业机会。
第三,循环经济在不同层面上将生产和消费纳入到一个有机的可持续发展框架中。传统的发展方式将物质生产和消费割裂开来,形成大量生产、大量消费和大量废弃的恶性循环。循环经济从根本上消除长期以来环境、资源与发展之间的尖锐冲突,它不但要求人们建立“自然资源—产品和用品—再生资源”的经济新模式,而且要求在从生产到消费的各个领域倡导新的经济规范和行为准则。
3.2 从循环经济的发展与实践来看
目前,循环经济实践已在3 个层面上将生产(包括资源消耗) 和消费(包括废物排放) 这两个最重要的环节有机地联系起来:一是在企业的层面上建立的小循环模式,实现企业内部的清洁生产和资源循环利用。最著名的是美国的杜邦化学公司,在原料的替代上,该公司寻找到一种对环境危害最小的原料来控制对环境的污染,同时他们让这个车间的废料到下个车间变成它的原料,废物通过梯形利用越来越少,最终形成“零排放”。杜邦化学公司通过循环经济和3R(Reduce ,Reuse ,Recycle) 制造法的实践,1994 年生产造成的塑料废弃物和排放的大气污染物相对20 世纪80 年代末分别减少了25 %和70 %。山东鲁北化工股份有限公司通过世界首创的石膏制酸联产水泥的工艺技术,真正做到“零排放”,形成了“资源—废料—原料”资源多次利用的良性循环,实现了经济的快速增长。
二是在区域的层面上实现共生企业或产业间的生态工业网络。如著名的丹麦卡伦堡模式,卡伦堡工业区根据自身的资源情况,把发电厂的热供给炼油厂和制药厂,同时解决周围居民的供热。发电厂脱硫产生的硫酸钙是石膏板厂的原料,同时硫酸可以被制成稀硫酸;发电厂用燃煤产生的粉煤灰来铺设公路,并供给小型的水泥厂。炼油厂的废水又可以供给发电厂用来冷却。这样,不仅降低了治理污染的费用,而且企业也获得了可观的经济效益。广西贵港国家生态工业(制糖) 示范园区,在蔗田系统、制糖系统、酒精系统、造纸系统、热电联产系统、环境综合处理系统之间,形成了甘蔗—制糖—蔗渣造纸、制糖—废糖蜜制酒精—酒精废液制复合肥和制糖—低聚果糖3 条主要的生态链,因为产业间彼此耦合的关系,资源性物流取代了废物性物流,各环节实现了充分的资源共享,将污染负效益转化为资源正效益。
三是在社会层面上实现区域和整个社会的废物回收和再利用体系。如德国的包装物双元回收体系(DSD) 和日本的循环型社会体系。德国分别于1991年和1996 年颁布《包装废弃物处理法》和《循环经济和废物管理法》,规定对废物管理的首选手段是避免产生,然后才是循环使用和最终处置。近年来,德国的玻璃的再利用率达到90 % ,废纸60 % ,塑料50 % ,剩下不可回收的混合垃圾,由国家组织公司负责,80 %焚烧、供热,其余废渣作建筑材料与铺路,使整个生产与消费系统建设成循环经济。根据循环经济理论,既要满足当代人的需要,又不对后代构成危害的基本条件只有两个:一是循环资源的循环使用和循环替代,二是生态环境的循环净化。而绿色化学的实施可以同时获得环境效益和经济效益,环境效益包括减少资源消耗,减少污染排放,有利于提高环境质量,保护生态环境和自然资源,经济效益则包括改善产品质量,降低生产成本,有利于提高企业利润,使企业走入良性循环。经验表明,用于绿色化学、清洁生产的投入可以在1～3 a 内收回。
因此绿色化学是一种在追求GDP 的指标同时,考虑到了经济增长的代价因素,是一种以人为本的经济增长模式,它符合可持续发展观点的双赢的战略,是可持续发展的必然选择。
参考文献
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