绿色化学发展前景探索与挑战

王哲勤

(吉林广播电视大学吉林市分校,吉林市 132000)

绿色化学发展前景探索与挑战

王哲勤

(吉林广播电视大学吉林市分校,吉林市 132000)

现如今,无论是政府部门、化工企业、还是化学化工研究所在科技领域和环境之间关系的问题上,都面临着一个重大的挑战:如何革新材料之应用,实现“绿色化学”发展之路。为了应对这一挑战,来自不同领域的专家们的跨学科合作是非常有必要的。传统上,为了减少接触有害于健康和对环境污染的材料,相关机构通常需要干预化学材料与化学物品的风险管理条例。1990年在美国颁布的《污染预防法案》鼓励推行一种新的理念,即“杜绝污染源”。为了实现这个理念,一种新兴方法继而产生,即将多种环保观念及利益与那些使用并创造新材料的一线化学家们联系在一起,这种方法被称为“绿色化学”。该方法致力于减少化学材料本身的危害,而不单是着眼于通过减少对有害物质的接触来降低风险。本文引用了一些美国数据,阐述了化工生产利益链里不同利益相关者在所代表的利益,以及绿色化学应用所带来的挑战。

绿色化学;十二项原理;环境影响评价

一、重大挑战

以往传统的化学工业生产给环境带来了十分严重的污染,目前世界各国每年产生的有害废气、废水、废物达3亿吨～4亿吨,给全世界环境造成严重的危害,并且威胁着人类的生存和发展。某些传统的化学化工产业正低效地耗费着国家大量的资源,一方面生产带来严重的环境污染,另一方面会导致自然资源的短缺。为了全人类社会的持续繁荣和发展,一方面必须走资源节约型的发展方向,另一方面需要开拓新的资源以及“绿色化学”生产,实现资源的生态化利用和可持续发展,并且要求整个开发和利用过程都是“绿色化学”的生产,而这正是化学化工科学与技术研究的重点领域。

实现“绿色化学”必须要革新材料,如何革新材料及应用是政府部门、化工企业和化工研究所在处理科技领域和环境之间的关系的问题上所面临的重大挑战。应对这一挑战需要有敏锐的洞察力和远见卓识的判断力,并且对跨领域合作者们的合作中所涉及到的不确定因素有清晰的了解。

环境影响评价(EIA,Environmental Impact Assessment)是一项控制环境影响的制度,旨在减少项目开发导致的污染、维护人类健康与环境的生态平衡。环境影响评估(EIA)的执行者们致力于满足各个利益相关者所涉及到的广泛的利益需求。目前在许多国家已经执行,理论上属于可行性研究的一部分,但因为环境污染问题是属于关系到社会所有人群的问题,所以国家要强制控制。而通常对材料和化学品风险管理的方法通常被系统地阐述为干预方法,即减少接触对健康有害和环境污染的化学化工材料方法。直到1990年颁布了《污染预防法案》,其鼓励推行一种新理念,即“绿色化学”、“杜绝污染源”(或者“从根源杜绝污染”)。为了迎接这一重大的革新挑战,一种新兴的方法继而产生,即将多种的环保观念及利益与那些使用并创造新材料的化学家们联系在一起。这种被称为“绿色化学”的方法致力于减少化学材料本身的危害,而不单是着眼于通过减少对有害物质的接触来降低风险。这一理念的产生可以使公众对于化学污染问题的解决有了新的认识。

化学工业比其他任何一项工业排放的有害废料都要多,而其排放的废料总量甚至超过了其他行业排放的总和[1]。绿色化学的科研工作主要是围绕化学反应、原材料、催化剂、溶剂和产品的绿色化工展开的,达到从源头上尽量减少甚至杜绝化学化工生产对环境污染,实现三废的零排放的目的。绿色化学的研究与开发绿色化学技术中最理想的是采用“原子经济”反应,实现反应的绿色化工,即原料分子中的每一原子都转化成产品,不产生任何废物污染和副产物,实现废物的“零排放”。必须从原料、工艺和设备方面来解决,大力研究与开发从整个工程链中减少或消除对环境的污染,实现绿色工程技术,并在此基础上实现过程系统相综合,降低能耗,实现三废最小化和环境影响最小化。

未来十年绿色化学主要研究的问题(又称十二项原则)是:

1)从源头上制止污染,而不是在末端治理污染;

2)合成方法应具有原子经济性,即尽量使参加过程的原子都进入最终产物;

3)在合成方法中尽量不使用和不产生对人类健康和环境有毒有害的物质;

4)设计具有高使用效益低环境毒性的化学品;

5)尽量不使用溶剂等辅助物质,不得已使用时它们必须是无害的;

6)生产过程应该在温和的温度和压力下进行,而且能耗应最低;

7)尽量采用可再生的原料,特别是用生物质代替石油和煤等矿物原料;

8)尽量减少副产品;

9)使用高选择性的催化剂;

10)化学产品在使用完后应能降解成无害的物质,并且能进入自然生态循环;

11)发展适时分析技术以便监控有害物质的形成;

l2)选择参加化学进程的物质,尽量减少发生意外事故的风险。”①

这些条款旨在化学物料投入,产品生产与废料处理方面进行创新改造。绿色化学的最大特点是在生产的开始就采用必须预防污染的科学技术手段,因而生产过程和产品终端均为零排放或零污染。现在世界上许多国家已经把“化学的绿色化”作为21世纪化学进展的主要研究方向之一。

随着绿色化学理念在化工领域的传播,其它领域也会掀起绿色革命的挑战。

二、新兴趋势

绿色化学的发展前景已呈现出新兴趋势,如政策制度,行业计划,以及创新材料应用与科学技术发展有着密切的联系。绿色化学的挑战和前景影响取决于对于其接受度和实践环节的熟悉度。

当前世界各国都在各个领域大力推崇和发展绿色化学的理念。在法国绿色化学的强劲增长给农业发展带来了全新思路。随着绿色化学的不断发展和迅速升温,未来这一新兴产业创造的财富很可能超过农产品本身,仅生物能源这一项就将产生巨大经济效益和社会效益。美国国家研究委员会预测,到2020年,50%的有机化学品和材料将产自植物,而生物化学工艺必将起核心作用。

而在1998年,美国化工企业贸易额达到1.5万亿美元,占了全球收入的7%,全球贸易的9%,这其中80%的产值来自于16个国家。而预计2020年该类产品比1995年增长85%,大致与GDP增长速度一致,那时这16个国家之外的其他国家会有着强烈的市场渗透,这会特别体现在在日用品化工方面。在过去的这个世纪里,增长幅度最大的是以石油化学为基础的塑料产业,而就收入而言,医药产业则称霸了过去的几十年,现在总体的生产方向已经由日用品化工为主导地位转向了精细化工和生命科学。

绿色化学的应用前景主要在研发部门,研发部门在化工领域的投资大约为总产量的5%。在1987年与1997年之间,研发部门的花费增长了一倍。研发部门的化学品投资位于所有企业花费清单里接近首位的位置,这些投资主要靠合作来筹集基金。大多数的化工企业在经济层面都是资本密集形式,因此大公司通常只能缓慢地转换新技术。化工企业的前进动力主要是扩大规模,减少开销,增加主要工艺方法的革新而不是重要支柱产品的替换。研发资金中的国家投入部分对于绿色化学的发展至关重要,因为大部分个人资金直接投入了现有工艺的生产。

化学制品方面的工艺革新常常十分冒险且昂贵,并需要多种技术,花费大量时间。为了对绿色化学在工厂层面的发展速度有一个大概的预测框架,我们来比较一下不同工业的更新速度来增强说服力。发展速度最快的行业之一是个人电脑,少于六个月的产品更新速度,2到4年的工艺技术周期,而半导体行业分别是1-2年的产品更新速度和3-10年的工艺技术周期。而更新最慢的是石油化工业,一个新产品的技术周期是10至20年,而主要工艺技术更新则要20到40年的时间。医药行业位于中间位置,7至15年的产品周期和5至10年的工艺技术周期。由此可见,化工领域的更新与新理念的推广是个十分缓慢的进程。

由大型跨国公司生产的高浓度产品每年高达上百万吨,但在美国制造的5万多种化学物中,超过95%都是由员工少于50人的公司生产,产量大致为每年1000吨。在美国大约有3000家专门的化学品公司(1750家工业化学品, 1225家医药化学品),而大约有6000家公司生产其他相关化学产品。在美国的化工领域里,大约有近90000位致力于革新的研发化学家,工程师和技术员,这些相对少数的工作者们支撑着有巨大经济推动力的化学研发和革新。

其实,绿色化学这个理念是一个重新定位的以应用科学为基础的科学研究,并非是那种被认为“在研究中心从事基础科学的学术研究而忽视那些主要社会问题”的研究。因此当研发部门的个人投资开始占主导地位时(约为65%),为其自身利益,研究工作开始转向“以获得实际利益为主导,忽略发展技术的边缘地带”。为改变这一状况,衍生出了政府和公司的合作关系,这种研发部门的合作方式在鼓励生物产品的发展方面特别有成效。在19世纪80年代,据估计,现代工业化的国家在防止和减少污染方面贡献了1-2%的GDP。到19世纪90年代中期,美国所有的私营企业为了减轻污染所造成的花费占了GDP的1. 5%。而早在19世纪70年代,美国为了处理技术危机所造成的社会花费估计为7-12%的GDP,其中一半用在了危机管理,余下的用在了人力物力以及环境方面。像化工公司这样,在减少与控制污染方面的花费与研发方面的花费几乎一样多的情况是很少见的。因此,绿色化学在化工领域的应用可以使公司企业获得很大的经济利益。

在合成、应用以及基本现象研究方面,绿色化学应致力于一种长期的社会目标。社会对于毒性和环境影响担忧也植入了绿色化学对于化学家们的指导准则里。这已经作为一种科学挑战归入了化学工程研究探索中,找寻可替代的供给,溶液和合成方法,化学家们必须面对这个挑战。

三、绿色化学

在“绿色化学十二项原理”中提到了一种新的思考模式,即在“做科学”(doing science)的模式中寻求容纳环境利益相关者的利益。首先我们开始思考化学家在实现绿色化工中的角色。与之前的许多对抗政府部门、工厂、非政府组织和保险公司的理念不同,绿色化学认为是一个合作的计划。在1996年,美国化学联合会开始以“总统绿色化学挑战”(Presidential Green Chemistry Challenge)这一项目来认可化学与技术的成就,这说明绿色化学开始被赋予更多的期望。

现如今全世界每年大约有三百万的化学家完成57万至70万篇文章,其中大约有四分之三报道了90万至130万新化合物。其实一位化学家在他的职业生涯中可能生产出几千种新化合物,却很难获得关于这些化合物在环境中的潜在毒性或者与其他材料的相互作用的信息。因此,关于化学生命周期和基本性质是绿色化学教育中一个很重要的成分。

根据化学研发中心的数据,化学方面专利与出版物的比例缓慢增加至20-25%,然而专利与新化合物的发现的比例却连续30年稳定在16%。尽管人们越来越强调应用研究的重要性,但是只有四分之一的已发表研究涉及到了最终的应用。大约一半的化学出版物涉及到了提高合成能力,其实生产大多数新物质的最终目的就是提高合成的生产能力,并不是最终的应用性。而绿色化学不仅限于应用于已有的化合物生产上,并寄予希望与这些新物质的应用上。在过去的这些年里,科学出版物里引用“绿色化学”这个词语的数量已经成对数增长的趋势。

现在化学领域里已经容纳了“绿色化学十二项原理”,并成为一种旗帜在世界范围的网络里流传。这个准则的支持者们在研究和教育的前沿领导着这个运动,其实更重要的是在时刻运作的公司实验室里进行这些活动。这是一场心灵与精神的战斗,在未来材料方面,与政府、机构或者市场相比,那些有竞争力的个体或个人能激发和发挥出更多的力量。一个化学家的权威覆盖了他们自己的专业领域,管理他们的实验室以及进行创造性的革新。但一位化学家研究结果的商业化离他们本身的工作相距很远,这涉及到了环境影响评估(EIA),实际上,环境影响评估(EIA)的利益更直接地与化学工程师和工艺专家相关。从代理理论(Agency Theory)的角度出发,一个化学家不会有制度权威,不会直接控制资本投资,也不会在实验室里处于在一种能奖励或者惩罚他人的位置上,但是有时化学家的发现能引发资源重心的转变。综上所述,绿色化学已被全球列为21世纪实现化学化工行业可持续发展的一项重要战略任务,是解决资源溃乏、能源紧缺、环境日益恶化的重要途径,是提高人类生存质量和保证国家与人民安全生活的核心基础科学与技术。未来,绿色化学与清洁生产工艺技术将向革新材料、节能环保的方向发展。化学与材料、生命、信息、能源、资源、环境等领域的结合将开辟绿色发展方向,为全面提高人类生活质量和环境改善提供多种发展途径。从广义的角度,绿色化学带来的表面上的强制约束,似乎正在促使新一波的工业革新。我们有理由相信绿色化学会给化工行业带来良好的经济效益。随着绿色化学正在日益深入人心,人们都被潜移默化的影响着,化学化工行业正在一天一天的革新,我们相信在不久的将来越来越多的企业将会走上绿色化学发展的道路,全世界绿色化学的发展前景越走越顺畅。

注 释:

①Paul Anastas,”The 12 Principles ofGreen Chemistr y”.UnitedStatesEnvironmentalProtectionAgency. http://www.epa.gov/greenchemistry/pubs/principles. html.Retrieved 2006-07-31.Download 2012-02-24.

[1]Anastas PT,Warner JC.Green chemistry:theory and practice.Oxford:Oxford University Press;1998.p.2.

[2]绿色化工发展现状与发展趋势。[DB/OL], http://wenku.baidu.com/view/b3f612176edb6f1aff001fcc. html.2012-01-28.

[3]OECD.OECD environmental outlook for the chemicals industry.Organization for economic co-operation and development environment directorate.Paris,France:OECD; 2001.

[4]Lenz AJ,Lafrance J.Meeting the challenge:U.S. industry faces the 21st century:the chemical industry.Washington(DC):U.S.Department of Commerce Office of Technology Policy;1996 January.

[5]Fine CH.Clockspeed:Winning Industry Control in the Age of Temporary Advantage,Perseus,Reading;1998.p. 81 8 and 239.

[6]Kates RW.Managing Technological Hazards:Success,Strain,and Surprise.Hazards:Technology and Fairness, National Academy of Engineering,National Academies Press; 1986.p.209.

[7]Schummer J.Challenging standard distinctions between science and t echnology:the case of preparative chemistry.Hyle—International Journal for Philosophy and Chemistry 1997;3(5646):8194.

X13

A

1008-7508(2012)09-0128-03

2012-05-14

王哲勤(1961～)女,吉林市人,吉林分校教学处副教授,主要研究方向:化学教学及研究、计算机教学。