将原料“吃干榨净”,这就是绿色化学?

作者: 赵维杰

来源: 《国家科学评论》(NSR)

发布日期: 2019-06-19

本文通过采访绿色化学领域的领军人物韩布兴院士,详细介绍了绿色化学的概念、目标、实现路径及其在材料科学和溶剂领域的应用。文章还探讨了绿色化学在中国的独特挑战和未来发展方向,强调了绿色化学在环境保护和可持续发展中的重要性。

在可以预见的将来,人类还将继续生活在太阳系中的这颗蓝色行星,地球上。在这颗空间有限、资源有限、环境容量有限的星球上,人口还将增长,人们的生活质量也还将提高。在发展与环境的矛盾之中,如何保护地球生态与环境、实现可持续发展是人类面临的挑战。致力于将化学化工全产业链绿色化的学科“绿色化学”,已经并将继续为此贡献力量。

《国家科学评论》(NSR)采访了绿色化学领域的领军人物之一,中科院化学所研究员韩布兴院士。他从科学的角度介绍了绿色化学的实现路径和发展方向,并对绿色化学领域面临的一些重要问题进行了分析。

绝大多数人类制造的产品都涉及一个或多个化学过程。化学工业生产各种重要化学品、材料、能源产品,为人类的文明和社会进步做出了巨大贡献。但同时不能否认的是,许多传统化学化工过程伴随着严重的资源浪费,并且对环境造成污染,包括大气、土壤、水。如何使化学工业在创造物质财富的同时,保护人类赖以生存的环境,是人类面临的重大挑战。

在这样的背景之下,上世纪90年代初美国学者提出了绿色化学的概念。随后提出的绿色化学十二条原则,迄今已被绿色化学界普遍接受。简单地讲,绿色化学的定义可表述为:通过对产品和生产过程的设计,尽量减少或避免有害原料的使用和有害物质、废弃物的产生。绿色化学的目标是从源头上消除污染,提高效益、节约资源和能源、实现化学化工的可持续发展,对环境友好。

绿色化学要对整个化学化工生产链都进行绿色化,使用无毒无害和可再生的绿色原料、绿色的溶剂、绿色的催化剂和助剂、原料利用率高的合成路线、绿色工艺与技术,来合成对环境友好的产品,并且要努力做到经济上合理,降低生产成本。

概括来讲,实现化工产业绿色化主要有两条途径。第一是采用原子经济性反应,把原料中的每一个原子都变成产品,不产生副产品或废弃物。但是,在许多化工生产过程中,副产品的产生是不可避免的,而这些副产品可能会污染环境。所以,绿色化学实现的第二条途径就是,把一个生产过程的副产品变成另一个生产过程的原料,形成循环或者链条,也可以将原料“吃干榨净”。总体来说,第二条途径更具普适性。

化学和材料科学密不可分。绿色化学的重要内容之一就是采用绿色原料和技术,生产环境友好的高性能材料。材料产业的多个环节都可能造成环境污染。首先,许多材料的生产过程会污染环境。其次,目前生产和使用的多种材料本身就含有害物质,直接危害人类健康。再次,有些材料会在使用后对环境有害。因此,材料本身和材料生产过程都需要绿色化。

全球每年有上千万吨有机溶剂挥发到大气中,既是浪费,也造成严重污染。绿色溶剂具备两个主要特点:一是自身无毒无害;二是能够有效提高化工生产效率、使产品分离过程更加简单,并易于循环利用。

比如我研究的超临界流体,包括超临界二氧化碳等。它本身无毒无害,并且使用后只需要减压就可以净化回收,完成循环利用。此外,超临界流体技术还可以保证产品中没有溶剂残留,并可利用其特性开发出传统溶剂难以或无法实现的技术。目前,这一技术已经在天然产物萃取分离、医药、材料、印染等领域得到了广泛应用,并在更多领域中具有应用前景。

绿色化学是化学学科发展的必然趋势,是更高层次的化学。从科学的观点看,它是对传统化学思维方式的发展,是化学和化工科学基础内容的更新;从环境观点看,它是从源头上消除污染、与生态环境协调发展;从经济观点看,它要求合理地利用资源和能源,特别是可再生资源,降低生产成本;从社会观点看,它符合社会可持续发展的要求。

绿色化学在中国的发展情况如何?我国在绿色化学方面起步较早,在绿色化学概念提出后不久就开始了相关研究。我国学术界、企业界和政府都对绿色化学领域非常关注。国家自然科学基金委、科技部、中科院等部门资助了很多相关项目。在基础研究、技术开发等方面,我国科学家都取得了不少重要成果,并已经催生了一批新兴产业。这些工作也得到了国际上的认可。

中国需要解决哪些独特的问题?

我一直认为,和其他国家相比,绿色化学对于中国来讲是格外重要的。作为一个拥有13亿多人口,并且仍在不断发展的大国,我们必需在本土生产我们所需要的大量化工产品,所以经济、资源、环境之间的矛盾格外突出。另一方面,与发达国家相比,我国技术相对落后,化工生产中的资源浪费和环境污染更加严重。因此,发展绿色化学与技术,优化产业结构,实现高效清洁生产对我国具有更加重要的意义。

在资源和环境容量都非常有限的条件下,妥善解决经济、资源、环境之间的矛盾,是我们面临的重要挑战。

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