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绿色化学新进展

作者:本站  来源:新疆杀菌剂网  发布时间:2010/1/22 16:21:43
【摘要】绿色化学是从源头上阻止对环境污染的化学,避免了化学的负面作用,显现了人的能动性。通过绿色化学前沿研究的一些实例阐述绿色化学新进展。
【关键词】绿色化学;意义;前沿研究
(一)绿色化学概念及其意义
绿色化学又称环境无害化学(Environmentally BenignChemistry)、环境友好化学(Environmental1y FriendlyChemistry)、清洁化学(Clean Chemistry),它采用化学的技术和方法去消灭或减少那些对人类健康、社区安全、生态环境有害的原料、催化剂、溶剂和试剂在生产过程中的使用,并且不产生有毒有害的副产物、废物和产品。绿色化学是一门从源头上阻止对环境污染的化学。
绿色化学具有重大的社会、环境和经济效益,它避免了化学的负面作用,显现了人的能动性,它比环保意识要高一个层次,环保意识是一个被动的概念。绿色化学体现了化学科学、技术与社会的相互联系和相互作用,是化学科学高度发展以及社会对化学科学发展的作用的产物,对化学本身而言是一个新阶段的到来。
(二)绿色化学的前沿研究
1.设计新的化学工艺方法
造纸工业对环境污染很大,废水排放量约占我国废水总量的1/6,其中制浆黑液和漂白废水的总负荷占90%以上。机械法制浆技术和生化法制浆技术是新型的无(少)污染制浆技术,可在较大程度上解决制浆造纸工业的污染问题。
目前,大部分建筑物使用的都是水冷系统,需要消耗大量水资源。水中的矿物质主要包括碳酸钙和碳酸镁,这些固体物质沉积在热交换器表面会降低热传导效率,增加能源消耗。水中微生物也会在热交换器表面形成一层微生物膜,从而导致热传导效率下降。2004年,纳尔科公司的3DTRASAR冷却系统化学和控制技术得到商业化应用。这种技术可以阻止碳酸钙、碳酸镁固体的形成,同时抑制微生物的繁殖,确保系统的热传导效率不会降低。另外,该技术还能降低系统的冷却水用量,甚至还可以使用劣质水。2006年,2500套使用了3DTRASAR技术的冷却系统共节约了大概210亿加仑(9534万立方米)的水。因此2008年美国总统绿色化学挑战奖授予了纳尔科(Nalco)公司。
对分析样品进行消解,常规的湿法消解消耗的酸碱等化学试剂较多,耗能大,污染和引入的干扰均比较严重,利用微波技术进行生物样品湿法消解,则克服了上述缺点,具有快速、节能、减轻环境污染等优点,是一种高效省时、低能耗的现代制样技术,可用于原子光谱分析的样品处理以及电化学分析、分光光度法测定各种微量和痕量元素。
2.设计新的环境友好产品
环境友好产品指无污染或低污染的技术、工艺和产品。日本研制成功固态聚合法生产聚酯,它分三步进行:①通过原料双酚~A和二苯基酯在熔融状态下进行预聚合,得到无定形的聚合物:②把无定形的聚合物转化为结晶态的预聚物;③结晶态的预聚物经过固态聚合方法生产不含氯分子杂质的聚酯,成为环境友好产品,避免了光气的危害。
传统墨粉和纸张之间的吸引力过大,纸张和墨粉都难以回收再利用。美国博泰尔(Battelle)公司研发了一种生物基墨粉,这种墨粉的印刷质量和普通墨粉一样,但却很容易从纸张上去除,墨粉和纸张都可以回收重复利用,这种新技术以大豆油、蛋白质和从谷物里提取出来的碳水化合物为原料,通过博泰尔公司创新的合成方法可以制成生物基墨粉,而且易于降解。这种新技术不仅可以节约大量能源,而且还能减少二氧化碳排放。据估算,到2010年,新技术每年可以节约9.25万亿英热单位,减少二氧化碳排放36万吨。因此该公司被美国政府授予了2008年的绿色合成路线奖。
近年来中国包装用塑料已超过400万吨 为解决“塑料垃圾”,治理“白色污染”,中科院利用化学合成法合成脂肪族聚酯,该技术采用脂肪族二元醇酸为原料,通过缩合聚合法制备聚丁二酸丁二醇酯(PBS),具有如下特点:1.采用高效催化体系,分步进行控制,直接合成高分子量的脂肪族二元醇酸聚酯;2.缩短了反应时问、简化了合成工艺,降低了成本。3.利用聚酯与淀粉及无机粉体的复合技术,使复合材料具有良好的加工性能;4.性能完全达到通用塑料水平,而且可以完全生物降解。
3.原子经济反应
绿色化学是更高层次的化学,它的主要特点是“原子经济性”, “原子经济性”概念是由化学家Trost教授1991年提出的,是指参与化学反应的所有原料的原子都被结合到目标产物的分子中,这是原子经济反应的核心理念,也是绿色化学的追求。
我国于2007年首次实现了原子经济反应工业化生产,这是一种高效抗旱保水剂,它的原理是用玉米淀粉或玉米粉作主要原料,在引发剂的作用下,首先在淀粉天然高分子的骨架上产生游离基,然后用乙烯或丙烯单体在游离基上接枝共聚,最后接枝共聚物靠爆聚放热自交联,从而生产出具有三维空间的网络结构,不溶于水但同时能吸水保水、吸肥保肥,且能缓慢释放水、肥的高效抗旱保水剂。
磁化学技术利用微观的磁场了解物质的化学结构,然后通过控制反应的路径,有选择地获取所需的产物,大大提高产品的纯度,使反应达到原子经济性。
4.采用无毒、无害的原料和溶剂
为使制得的中间体具有进一步转化所需的官能团和反应性,在现有化工生产中仍使用剧毒的光气和氢氰酸等作为原料。为了人类健康和社区安全,需要用无毒无害的原料代替它们来生产所需的化工产品。
例如,异氰酸甲酯的制备可用催化法避免光气(剧毒,且产物H C l严重腐蚀设备)的使用。生产聚氨酯的传统工艺是以胺和光气为原料合成异氰酸酯:
RNH2 + COC12 一RNCO + 2HCI
再用RNCO与R OH反应生成聚氨酯:
RNC0 + R’0H — RNHCOOR’
这一工艺不仅要使用剧毒的光气为原料,而且产生有害的副产物氯化氢。美国Monsanto公司开发的新工艺为:
RNH2 + C02 — RNC0 + H20
RNCO + R’ OH —÷ RNHCOOR’
彻底解决了传统工艺的两大问题。
用无毒、无害的溶剂取代挥发性的有机溶剂也是绿色化学的重要研究方向。目前广泛使用的挥发性有机溶剂不仅会污染水源,还会引起地面臭氧的形成。用超临界流体(SCF),特别是超临界二氧化碳来代替有机溶剂,其最大的优点是无毒、不可燃、价钱便宜。SCORR Process采用超临界二氧化碳取代湿式处理单晶硅芯片上的污物,且二氧化碳还可循环利用。称为“绿色溶剂”的离子液体因其易于循环利用从而减少对环境的污染,近年来在作为环境友好的溶剂方面有很大的潜力,可用于分离过程、化学反应,特别是催他反应以及电化学等方面。另外,采用无溶剂的固相反应也是避免使用挥发性有机溶剂的一个研究动向,如用微波来促进固、固相有机反应。
5.利用可再生的资源合成化学品
Gross‘首创了利用生物或农业废物如多糖类制造新型聚合物的工作。由于其同时解决了多个环保问题,因此引起人们的特别兴趣。其优越性在于聚合物原料单体实现了无害化;生物催化转化方法优于常规的聚合方法;Gross的聚合物还具有生物降解功能。
杜邦和杰能科联合开发的以葡萄糖为底物生产1,3一丙二醇的技术路线是最具有经济竞争力的,它是将葡萄糖先转化成甘油,甘油再转化成1,3一丙二醇,两个过程于一次发酵完成。
作为地球上最丰富的可再生资源之一,木质素是一种广泛存在于高等植物体细胞壁中的多聚酚类,以它代替三醛胶作木材胶粘剂,不仅可以减少对人体健康的损害,还可以节省石油资源。
环境意识材料也是绿色化学重要的研究内容。环境意识材料在产品的生产、运输以及结束使用时都要考虑到对环境的影响,并且还要考虑它的循环再利用问题。德国就规定卫生纸只能用回收废纸制造,日本也在逐年提高汽车材料的回收利用率。美国环境保护局的PAnastas,M KirchchofandTl1iamson开发的Biofine Process以农业残余物、废纸、废木、城市固体废弃物等生物质为原料,制成燃料添加剂、农药、除莠剂、涂料等有实用价值的化学品。
(三)结语
“绿色化学”是21世纪最重要的科学领域之一,是实现污染预防最基本的科学手段,对人类的可持续发展有极其重要的意义。

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