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绿色化学的意义及展望

来源:山东师范大学化学化工与材料科学学院 作者:郭佳瑞

在环境保护方面,绿色化学具有独特的作用。它影响了多个领域的发展。首先在化工产业,对整个化学化工生产链条进行绿色化,使用无毒无害的绿色原材料、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、绿色工艺与技术等来合成对环境友好的产品,并尽可能的避免反应过程中出现副产物和有毒物质。比如绿色溶剂,也就是离子液体,它们本身不挥发、易回收,可以溶解大部分物质,还可以通过设计使其无毒无害,并具有特定功能。传统的分子溶剂依靠范德华力、氢键等与被溶解的物质发生作用,而离子液体除了这些作用外,还有静电作用。利用这些特性,可以开发出各种高效绿色的技术。例如,离子液体能够有效改善控制和可调控的对静电作用反应非常复杂灵敏的化学反应过程的反应控制效率,实现了一些原来在常规溶液制备中就难以有效实现控制的复杂化学反应过程和新材料的制造过程。另外一个重要的绿色溶剂是水,我们可以考虑用水来替代有机溶剂。当然,由于它对大多数生物物质的溶解能力都有限,所以怎样更加合理使用这一绿色溶液也是一项重大任务。另外,某些液态的聚合物、带有特殊基团的生物质基溶液等都能用作的介质。这些绿色试剂的使用,减少了化工流程中产生的污染。

在环境治理方面,绿色化学让许多生产活动的污染减少,让绿水青山回归。例如在染料行业废水处理的方式上,绿色化学就发挥了重要的作用。众所周知染色产业对环境的污染是非常巨大的,中国也是染色大国,二零二零年染色生产量为76、9万吨,染色在丰富人类生存的同时也产生巨大的“三废”,特别是会形成巨大的废物。而没有处理的垃圾往往直接释放给水面,导致水面的溶解性氧降低、透过性减弱,对水生生物和微生物的生长产生明显影响。众所周知,染料(有机合成材料)是由芳香烃类物质,经各种化学单元操作制备而得。总体来说,染料工业的污染物存在体积大、色度深、有毒有害物质浓度大、管理难的特点。所以治理染料产生的污染显得极为重要。于是科研人员们发现了一种办法来解决污水,目前国内外用作染料废水处理的主流技术方案可以分成生命处理过程法、化学处理法和物理处置法。生命处理过程法分成厌氧处理法、好氧处理法、厌一好氧处理法等;物理处置法分成吸收法、膜分离法、高能物理法、超声法等;化学处理法一般分成化学氧化法、电化学法、光化学法、物理化学混凝法等。绿色化工采用合理的方式对染料废水处理工艺流程加以改良与完善,通过生命、物理、化工相结合的方式,将废水加以综合处理,减少有害物质的生成,达到对染色废水的无害化处理,这样不仅能够减少对环境的影响,为生命提供优越的环境,同时能够增加我国的经济效益,促进社会主义建设,达到经济社会、环境的可持续发展。

在资源的开发与充分利用方面,绿色化学的“原子经济性”就展现出了其独特的优势。绿色化学的“原子经济”意味着在化学合成过程中,合成的方法和过程应设计为将反应过程中使用的尽可能多的原料转化为最终产物。它可以作为衡量化学过程是否可行的标准原子经济学。所考虑的是在化学反应中有多少原料原子进入产品。在材料科学中,材料生产的许多过程中都可以产生环境污染。首先,很多材料的制备过程都会污染环境。其次,目前正在制造和应用中的很多化学物质都存在着影响人类身心健康的危害化学物质。其三,部分化学物质利用后也可能对环境保护不利。所以,化学物质本身和材料的制备过程中都应该是环境保护的。而目前,人们已经十分重视环保化工和材料科学之间的交叉,并正在研究多种化学物质制备、环保材料、卫生材料、建筑装饰材料、高分子材料等的制备过程与应用中的环保工艺。人们可以使用取代了油漆中的表面活性剂,从而使水性油漆更加环保。利用这种新型产物能够降低人类对化石能源的依赖性,还能够充分利用可再生资源的结构特征,得到很多常规技术不易生产的具有特殊官能团的结构产物。在有机化学过程中,往往用到某些危害有毒的原料如氰化氢(HCN)、丙烯氰、室内甲醛、环氧乙烷和光气等。因为这种物质严重的会危害环境,危害人体的健康与安全。因此环保化工的主要目标之一,便是探索怎样用安全无毒的原料替代它们,来制造各种人们所要求的产物。在这方面已开展了许多项目。例如,涤纶材质的很多优异的特性透明、耐温、抗冲击等,目前已经被广泛用作于人们日常生活的各个方面,如CD片、摄像机、光电子器件和车辆等。而全球的聚酯材料年产量目前已经将近一百亿吨,年均增产达到了百分之十。而由于需求量增大,新建的聚酯工厂也在继续兴建当中。目前,基本上现有的几个聚酯工厂都使用了光气反应过程。

绿色化学促进了对清洁能源的研究与开发利用。21世纪以前,我国的发电方式以煤电火电等高污染低效能的方式为主,不仅污染严重,排放的有毒有害物质多,而且发电效率低,供电不稳定,供电量小,电力市场供不应求。环保理念逐渐占据主流,我国积极寻找新的环保的发电方式。如今世界上常见的发电方式有火力发电、水力发电、风力发电和核电。火力发电除了以前我们所熟知的以煤、石油等化工燃料为原料的方式外,也有一些新能源被发现,比如清洁无污染的氢能,利用氢气燃烧放热,其热值较高而且产物是清洁无污染的水。我国也充分利用自然资源,在长江的中上游利用其天然的地势落差和长江丰富的水量建设水电站,在解决用电问题的同时也带动中西部地区的经济发展;在西北干旱的戈壁荒漠安装上太阳能电池板和风力发电机,利用其干燥的气候、充足的阳光和无休止的狂风发展光电和风电;在一望无际的大海的沿海地区,利用每天重复的潮汐和波浪来发电、、、、、、环保理念逐渐深入人心,越来越多的清洁能源被利用起来。

在经济效益方面,绿色化学的优势非常显著。与绿色化学相比,传统的化工虽然能够获取大量人们所需要的新型材料,但在很多情况中却不能合理的使用各种资源,会导致大排放物并导致巨大的环境污染。而绿色生态化工则是更新型的学科,因此传统化工向绿色生态化工的过渡也被认为是学科由“粗放性型”向“集约型”的过渡。通过绿色生态化工的变废为宝,就可以将资源利用效果提高。通过绿色生态化工能够使原来高污染、高耗能、低成本的化工生产过程改进,使各种资源的耗费大大减少,从而利用已有的各种资源,从而减少生产成本,增加效益。

对绿色化学未来的展望

在中国共产党第二十次全国代表大会上习总书记指出了我国在生态建设方面的工作:我们要推进美丽中国建设,坚持山水林田湖草沙一体化保护和系统治理,统筹产业结构调整、污染治理、生态保护、应对气候变化,协同推进降碳、减污、扩绿、增长,推进生态优先、节约集约、绿色低碳发展。

要实现这些,就要做到以下几个方面:一是加快发展方式绿色转型。二是深入推进环境污染防治。三是提升生态系统多样性、稳定性、持续性。四是积极稳妥推进碳达峰碳中和。其中在第一、二、四三个方面可以发挥巨大的作用。

第一个方面是加快发展方式绿色转型,加快产业结构升级与优化,加快推动产业、资源、能源、交通运输、物流管理等调整优化。推进绿色节能环保减低碳的先进适用科技的研究开发与产业化推广与应用,鼓励发展绿色消费,促进企业建立新型绿色环保低排放碳工业的绿色生产经营方式体系与生活方式。

第二方面是进一步推动环境污染防治。继续扎实打好天蓝、碧水、净土守卫战。强化重大水污染的协同管控,基本减少重污染天气。统筹自然资源、水环境保护、城市水域生态综合治理,推进重点河流湖库的生态环境保护整治,初步淘汰城市内黑臭水体。强化土壤污染源头防治,实施重大水污染综合治理。提高城市环保基础设施建设标准,推动城市内以人为重点的环保整治。

第四方面是把实现碳达峰碳中和作为发展的目标、前进的动力,要根据中国能源资源的实际情况,条理清晰、步骤明确的开展碳达峰行动。健全能源消耗量和能源消耗强度的严格调控,重点控制化石化工等不可再生的高污染能源消费,实现碳排放总量和强度“双控”制度。

绿色化学在我们的生活中将一直占据着重要的地位,它渗透在我们的生活中,可以提高生活质量,让社会发展得更好更快。

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