哈工大化学论文
化学发展与环境保护
作者：张常乐指导教师：刘志刚
电信学院信息对抗技术专业学号1110530110
手机182******** 邮箱 zhangchangle123@https://www.360docs.net/doc/4216119383.html,
摘要：随着当代化学技术的迅速发展，各种因此导致的环境问题日益突出。“日本福岛核
污染”，“化学致癌因子”等名词不断触动着当代人的神经。化学在人类的发展过程中起着
重要的作用，但同时也造成了深刻的影响。如何处理好化学发展与环境保护，寻求一条可
持续发展道路，是人类目前的当务之急。
关键词：化学发展，环境保护，可持续发展，环境问题。
（一）什么是化学？
化学是研究物质的组成、结构和性质及其变化规律的科学，是一门与人类生活有着密切联系
的基础学科。化学有着很长的发展历史，从原始人类辨别自然界存在的无机物质的性质而加以利用到后来偶然发现自然物质能变化成性质不同的新物质，于是加以仿效到俄国化学家门捷列夫提出元素周期律，再到现在的高分子，基因工程等尖端化学技术领域。化学发展到今天，已经成为人类认识物质自然界、改造物质自然界，并从物质和自然界的相互作用得到自由的一种极其重要的武器。这种武器给虽然人类带来的巨大的财富，但同样也带来了不少环境问题，并且这些环境问题都是为人类所头痛的。
（二）化学与环境问题
18 世纪工业革命后，蒸汽机、内燃机相继出现，大机器生产替代了手工业生产。各种机器
的使用，需用大量的煤和石油作为燃料和原料，一些工业发达的城市和化工业排出大量的废气，废渣和废水（俗称工业“三废”），造成环境污染和生态破坏，形成了所谓的社会公害，使人类的生存和发展受到严重威胁。在20 世纪50 年代前后，发生在比利时、美国、英国和日本的“八大公害事件”（比利时马斯河谷事件，美国多诺拉事件，英国伦敦烟雾事件，日本四日市哮喘事件日本米糠油事件，日本水俣病事件，日本痛骨病事件，印度博帕尔事件）让全世界为之震惊，一度形成恐慌。
（三）绿色化学理念
绿色化学是指以绿色意识为指导, 研究和设计没有或尽可能小的环境负作用, 并在技术上, 经济上可行的化学品与化学过程。因此, 绿色化学的目标是研究与寻找能充分利用的无毒害原材料, 最大限度地节约能源, 在各环节都实现净化和无污染的反应途径的工艺。绿色化学
的最大特点, 在于它是在始端就采用实现污染预防的科学手段, 因而过程和终端均为零排放或零污染。由于它在通过化学转化获取新物质的过程中就已充分利用了每个原料的原子, 具有“原子经济性”,因此它既充分利用了资源, 又实现了防止污染。显然, 它不是过去对终端或过程污染进行控制或进行处理。所以它根本区别于那些通过“三废”处理与利用来治理污染的化学方法, 因为这些化学方法都是终端污染控制而不是始端预防。
（四）绿色化学的研究内容
绿色化学的研究内容, 要包括化学反应( 化工生产) 过程的4个基本要素; 一是设计对人类健康和环境危害小的, 淘汰有害的反应起始物( 原材料) ; 二是选择最佳的反应( 生产) 条件, 包括温度, 压力, 时间, 介质, 物料平衡等等, 以实现最大限度的节能和零排放; 三是研究最佳的转换反应和良性的试剂( 含催化剂) ; 四是设计对人类健康和环境更安全的目标化合物( 最终产品) , 因此绿色化学的研究, 其实就是围绕化学反应, 原料, 催化剂, 溶剂和产品的绿色化开展的。
1选择最佳反应途径, 提高原子利用率
在化学合成特别是有机合成中, 减少废物的关键是提高选择性问题, 即选择最佳反应途径, 使反应物原子尽可能多地转化为产物原子, 最大限度地减少副产物, 才会真正减少废物的生成。美国著名有机化学家Trost 在1991年首先提出了原子经济性的概念, 认为高效的有机合成应最大限度地利用原料分子的每一个原子, 使之结合到目标分子中( 如完全的加成反应: A + B+ = C) , 达到零排放。原子经济性可用原子利用率来衡量。我们把原子利用率定义为: 原子利用率= ( 期望产品的摩尔质量/ 化学方程式中计量所得物质的摩尔质量) ×100%
由原子利用率可看出, 原子经济性的反应有两个显著优点: 一是最大限度地利用了原料; 二是最大限度地减少了废物的排放, 适应了社会的要求, 是合成方法发展的趋势。
开发新的原子经济反应应与符合绿色化学要求的有机合成结合起来, 在选择合成途径时, 除了考虑理论产率外, 还应考虑和比较不同途径的原子利用率。在化工生产中要尽量减少化学反应的步骤, 从原料到产品尽可能做到直达, 在生产过程中尽可能不采用那些对产品的化学组成来说没有必要的物料。如环氧乙烷生产中, 经典的氯代乙醇法产率虽然可达到100%, 但其原子利用率却只有25%, 即生产一公斤环氧乙烷会产生三公斤的副产物。
经典氯代乙醇法: CH2= CH2+ Cl2+ H2O→ClCH2CH2OH+ HCl
ClCH2CH2OH+ Ca( OH) 2→H2COCH2 + CaCl2+ H2O
C2H4+ Cl2+ Ca( OH) 2→C2H4O+ CaCl2+ H2O
分子量4411118
原子利用率= 44/ 173= 25%
现代石油化学工艺:
CH2= CH2+ 1/ 2O2
催化剂H2COCH2
原子利用率= 100%
显然, 新方法对环境的友好度明显地超过了旧方法。
2设计对人类健康和环境更安全的化合物
绿色化学的“更安全”这个概念不仅是对人类健康的影响, 还包括化合物整个生命周期中对生态环境, 动物, 水生生物和植物的影响; 除了直接影响外, 还要考虑间接影响——转化产物或代谢物的毒性, 并要求对化合物的暴露, 接触途径, 摄入, 吸收, 分布机制及进入生物体内毒性作用机理进行更深入的研究和理解。如Dow Agrosciences L L c( Dow chemical co 子公司) , 设计的一种高选择性的, 对环境友好的杀虫剂——Sp inosad, 已被证明在控制多种咀嚼昆虫的害虫如毛虫、绿叶虫、蚯蚓、苍蝇、甲虫等对棉花、树木、水果、蔬菜、草皮和观赏植物的危害中有效。它作用快, 选择性高, 只对靶害虫起作用而不影响益虫和马蜂, 且其作用模式与已知的害虫控制产品不同。害虫对Sp inosda 表现出神经综合症: 缺乏协调性、疲惫、颤抖和肌肉抽搐, 导致瘫痪和死亡。Sp inosda 对哺乳动物和鸟类具有相对低的毒性, 尤其未表现出对哺乳动物的任何神经毒性。这就使得对那些接触该产品的人的危害及风险大大减少。尽管它对鱼类有一定的毒性, 但比许多目前使用的合成杀虫剂对鱼类的毒性要小得多。Sp inosda 在环境中不积累, 不挥发。它粘合在叶子表面在光照下很快分解。它牢牢地吸附在土壤上, 不会渗漏到地下水中。由于Sp inosd a 具有对环境和哺乳动物很低的毒性, 现已被( 美国) 环保局作为减小危害农药来推广。同时Sp inosda 的设计者荣获1999年“设计更安全化学品奖。”
3使用无毒无害的原料
用对人类健康和环境危害小的物质为起始原料, 去设计实现某一化学过程, 则此过程会更为安全。如异氰酸酯是一类重要的化工产品, 年产量几百万吨, 过去一直用光气法进行生产。众所周知, 光气是工业中使用的急性毒性最高的物质之一。孟山都公司的McGhec 等人研究了用CO2和有机胺直接生产异氰酸酯的新方法, 去掉了光气; 杜邦公司也报道了采用一氧化碳将胺直接羰基化而合成异氰酸酯, 并已工业化。又如生产尼隆的原料——己二酸, 一直是用有致癌作用的苯为起始原料制备的, 在制备过程中还产生氮氧化物, 能消耗臭氧导致温室效应。Frost 等人发展了一个生物合成技术, 采用遗传工程获得的微生物为催化剂, 以葡萄糖为起始原料成功地合成了己二酸, 这个新技术革除了大量有毒的苯, 且技术上, 经
济上都完全可行, 是绿色化学的一个范例。当然在现有的化工生产中, 仍在大量使用一些危险的有毒的基本原料如: 氢氰酸, 氢氟酸, 盐酸, 氯气, 甲醛, 环氧乙烷, 硫酸..。今后应该通过绿色化学的研究以减少或避免使用这些物质。
4选用无毒无害的催化剂
在化学合成中使用催化剂, 可以改变化学反应途径, 降低反应的活化能, 从而提高产率, 降低能耗, 实际上, 催化剂在考虑和利用原子利用率高, 对环境友好的合成方法时具有重要的作用。如经典的傅—克酰基化反应中用路易斯酸, 如三氯化铝作催化剂, 对设备腐蚀严重, 危害人体健康, 产生废渣, 污染环境。现在K raus 等人以醌和醛为原料, 在可见光的作用下, 进行酰基化, 合成了一系列化合物, 反应中去掉了三氯化铝, 消除了污染。
再如木桨和造纸工业中漂白木桨, 传统上是用氯分子或二氧化氯作漂白剂。但使用氯化物漂白会导致有毒的含氯酸化合物, 如dioins 和氧芴的生成。现在Carnegie Mellon 大学的Collins 教授, 发展了一系列Fe( Ⅲ) 络合物, 称为TA ML 活化剂, 用在木桨和造纸工业中, 可以增强过氧化氢的氧化能力, 使过氧化氢在低温下( 50℃) 活化, 漂白木桨并去除木质素残留物。这样, 木桨和造纸工业便彻底消除了氯的加工方法, 既节约能源还消除了氯有机物的产生。为此, Col lins 教授获1999年的“学术奖”。
5使用无毒无害的溶剂
当前广泛使用的有机溶剂一般都是挥发性的有机物, 对环境有害, 许多溶剂已被列入禁止或劝阻使用范围。目前, 研究无毒无害溶剂的工作正在开展, 其中一个热点是研究水或超临界液体( SCF) 为反应介质取代易挥发的有毒有机溶剂。SCF 是指处于超临界温度及超临界压力下的流体, 是一种介于气态与液态之间的流体状态, 如超临界二氧化碳流体( SC—CO2及SC—CO2/ H 2O) , 由于其临界温度( 311℃) 与临界压力( 7477. 79kp a) 适中, 来源广泛, 回收方便, 价格低, 无毒等特点而受到重视, 还有水和近临界
水作为介质代替有机溶剂以及采用无溶剂的固相反应等也得到广泛研究。
6开发和生产绿色产品
所谓绿色产品, 是指产品在使用过程中和使用后不会危害生态环境和人体健康, 产品具有合理的使用功能及使用寿命, 产品易于回收、利用和再生, 报废后易于处理, 在环境条件下容易降解。如日常生活中适用的包装材料, 用后可以进行再利用, 如用再生纸作购物袋, 用再生塑料制造各种容积, 不但可节约宝贵的资源, 还可以减少固体废弃物的排放。再如目前大量使用的聚苯乙烯发泡塑料快餐盒, 使用后成为白色垃圾, 在自然条件下, 需数百年方能降解, 对环境带来严重的影响。为了加速它的自然降解, 生产时可在其中加入光敏剂、化学助剂等, 使其在使用后几个月内即分解成无害物质。
参考文献
[ 1] 赵丽萍, 王麟生. 绿色化学——环境战略的新认识, 化学教学, 2000( 7) : 29—32 [ 2] 薛慰灵. 绿色化学——对环境更友善的化学. 化学教育, 1997( 9) : 1—5
[ 3] 吴泳. 绿色化学——化学教育的新课题. 化学教育, 1998( 8) : 3—6
[ 4] 梁文平, 唐晋. 当代化学的一个重要前沿——绿色化学. 化学进展, 2000( 2) 228—230
[ 5] 曾庭英, 宋心琦. 化学家应是“环境”的朋友——介绍绿色化学工艺. 大学化学, 1995( 6) : 25—31
[ 6] 梁文平. 1999年美国总统绿色化学挑战奖研究工作介绍. 化学进展, 2000( 1) : 118— 120
[ 7] 薛慰灵. 九七美国“总统绿色化学挑战奖”简介. 中国化工报, 1997—12—5
[ 8] 蒋家平. 时代呼唤绿色化学. 科技日报, 1997—09—15