智能技术在绿色化工中的应用

姚建华　徐雯丽　蒋舒仰　黄迎胡　静李佳

中国科学院上海有机化学研究所（上海　200032）

节能环保

智能技术在绿色化工中的应用

姚建华徐雯丽蒋舒仰黄迎胡静李佳

中国科学院上海有机化学研究所（上海200032）

编者按：

中科院有机所姚建华科研团队针对绿色化工生产模式开展了大量的研究工作，将智能技术应用于绿色化工的产品设计、化学品危险和危害预警中，本刊将认真地介绍这方面的进展，发表一系列的论文，以飨读者。同时，希望广大读者也能就这方面的工作发表自己的研究成果，共同推动化工领域的智能管理、智能设计和智能制造。

现代生活中，化工产品与人们的日常生活密切相关。传统化工的生产模式会对环境、人类健康和生活安全产生不利影响，而绿色化工生产模式可有效降低传统化工生产带来的环境污染，以及对人类健康的危害性。绿色化工生产模式涉及绿色化学、智能技术、生产工艺、废弃物处理、环境保护、事故防范与处理等多个方面。智能技术已在制造业（如汽车、飞机、家电和纺织等），数据分析，商务和建筑等领域得到实际应用，并显示出了其独特的优势。介绍了智能技术在绿色化工的化学品设计、化学品危险和危害预警中的应用。

绿色化工智能技术计算机模拟与仿真环境保护事故预警与处理

0　前言

众所周知，化学工业在国家的经济和国防建设中有着举足轻重的地位，化工产品与人类的日常生活密切相关。其中，生产和使用量较大的化工产品有：聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、聚酯、尼龙丙烯酸树脂等聚合物；盐、氯气、烧碱、硝酸、磷酸、硫酸、二氧化钛和过氧化氢等无机化工产品；磷酸盐、氨气和碳酸钾等化肥；药品、诊断用品、动物健康产品和农药等生命科学用化工产品；工业气体、胶黏剂和密封剂及涂料、工业和清洁化学品、食品添加剂、香精香料、特种涂料、印刷油墨、水溶性聚合物和催化剂等特种化工产品；肥皂、洗涤剂和化妆品等日用化工产品。

随着相关学科和技术的发展，以及经济和国防建设对产品需求的不断提升，化工产品的生产，逐渐从最初的手工作坊式生产发展为规模化生产；从以经验或半经验为主要技术手段的阶段，逐步进入以相关学科理论为依据，建立并采用机电一体化设备、半自动或全自动化技术，实现生产过程和产品质量可控的阶段；从只关注产品的性能，逐步转变为关注化工产品的生产、存储和销售等全部环节，例如生产过程中的废弃物处理，生产过程的环境友好性及安全性，化工产品的获得率、性能及安全性，化工产品运输和储存的安全性等。由此可见，化学工程是一门涉及物理、生命科学、应用数学和经济学等诸多学科，关注化工产品的生产、运输、存储和市场等方面的学科。

传统化工生产模式主要根据设计者的经验，设计化工产品的生产方案和流程，且大多只注重化工产品的得率和纯度要求，对于生产过程的环境友好性和安全性、运输及存储的安全性关注较少。随着化工产品生产规模的不断扩大，人们对健康、环境保护和安全性的需求不断增加，以经验为依据的传统化工生产模式，已显示出其明显的不足。为此，人们希望采取一些策略和新技术，弥补传统化工生产模式的不足。

20世纪90年代，“绿色化学”的理念开始在欧洲和美国出现，最初只是以“清洁”和“可持续”来表述。随着对其理解的不断加深，美国环保署从环保的角度，将绿色化学定义为：减少或排除使用或产生有害物质的化学产品及其生产工艺的设计。

维基百科网站对绿色化学的定义为：绿色化学是一种化学研究和化学工程的哲学，它促使人们以尽量减少使用和产生有害物质为目的，开展化学产品及其生产工艺的设计。绿色化学旨在从源头上防止污染，以减少化学对环境的负面影响。它适用于有机化学、无机化学、化学、分析化学、物理化学、化学工程等领域，其重点是在化学产品及其生产工艺的设计中，使危害性最小化和有效性最大化。

从内容上来看，绿色化学主要包含四大类核心内容：

（1）采用原料使用率最大化的生产工艺设计；

（2）尽可能使用安全和环境友好的化学物质；

（3）设计高效节能的工艺；

（4）从源头上不要创造废弃物是对废弃物最好的处置方法。

绿色化学的12条原则是在上述四类核心内容的基础上扩展和细化而来的。

绿色化工是绿色化学在化工中的应用，即在化工产品生产过程中，从工艺源头开始便运用环保的理念，推行源消减，进行生产过程的优化集成，注重废物再利用与资源化，从而降低成本与消耗，减少废弃物的排放和有毒物质的产生，降低产品全生命周期对环境的不良影响。

可见，与传统的化工生产模式相比，绿色化工的实现和应用，将更有益于国家的经济和国防建设，其对人类健康和环境产生的不良影响更小。

要实现绿色化工，除了需要实现传统化工的技术和方法，还需要智能技术。本文将介绍智能技术在绿色化工的化学品设计，以及化学品的危险和危害预警中的应用。

1　智能技术

智能（或人工智能）技术是为了有效地达到某种预期的目的，利用知识所采用的多种方法和手段[1]，如人工智能方法、计算机技术和信息技术等。曹承志教授在其《人工智能技术》[2]一书中，比较全面地讲解了智能技术所包含的主要内容，如智能控制、知识表示、知识推理、模糊逻辑、神经网络和机器学习等方法和技术。

事实上，智能技术在化学研究领域已得到应用，并已形成了对应的学科——化学信息学，它是利用信息学方法和技术，解决化学问题的学科[3]。其中，化学问题主要涉及三个方面：分子设计、合成设计和结构确定。化学信息学的方法主要有三种：基于数据（D）、基于逻辑（L）和基于原理（P）。基于数据，即建立多种数据库管理系统和数据库，在化学研究工作中利用已收录的数据；这种方法适用于获取已报道的信息。基于逻辑，即采用归纳、推理和分类等数据分析方法，将数据库中的数据转化为知识，并对知识实施有效的管理，以便于将知识合理地应用于化学研究工作；这种方法适用于处理大批量的对象。基于原理，即采用量子化学的理论计算方法，计算化合物的相关性质；这种方法通常被用于机理研究[4]。

VIKTOR博士等[5]预言，大数据将改变人类探索世界的方法。在小数据时代，人们会假想世界是怎么运作的，然后通过收集数据来验证这种假想。在不久的将来，人们会在大数据的指导下探索世界，而不再受限于各种假想。人们的研究对象是数据，通过数据，人们发现了以前不曾发现的关系。这将是发现知识的有效途径。

2　智能技术在绿色化工中的应用

绿色化工的实现，与化工生产中的每个环节都密切相关，如化学品设计、化学品运输与储存、产品生产工艺、产品生产过程中的废弃物处理和利用、生产设备自动化和维护等。

本文将介绍智能技术在化学品设计、化学品的危险和危害预警中的应用。

2.1化学品设计

化学品设计的本质是分子设计，它是绿色化工的源头，即只生产具有特定功能，但对人类健康和环境无负面影响的化学品。传统的分子设计模式，主要依靠灵感和经验，设计工作的流程如图1所示。现代的分子设计模式，既充分利用灵感和经验，又将化学信息学方法和技术应用于分子设计工作，其工作流程如图2所示。

图1与图2所示的两种工作流程的主要区别为：后者在合成化合物之前，增加了应用智能技术预测化合物性质的步骤，这些性质与化学品功能，以及对人类健康和环境产生的不利影响等因素相关。从理论上来讲，这种工作模式得到的化学品符合要求的概率将比图1的工作模式高。显然，后者体现了绿色化学的一个核心理念：从源头上不要创造废弃物是对废弃物最好的处置方法。

图2　现代分子设计模式的流程

目前，现代分子设计模式已被应用于医药、农药、材料、环境等领域的化合物设计、污染物确认等工作中。在农业生产中，通常使用农药来保护农作物生长，同时，农药还被用于农产品储存领域。因此，人们不仅要关注农药化合物本身的生物活性、对环境和人类健康的影响，同时还必须关注它们的代谢物及其对环境和人类健康的影响。在此，将介绍利用现代分子设计模式开展的工作：（1）苯丙酮肟醚类化合物的设计与优化[6]；（2）除草剂莠去津（ATR）的代谢物毒性预测[7]。

2.1.1苯丙酮肟醚类化合物的设计与优化

为寻找高活性的瓜类白粉病抑制剂，以3－取代氨基－1－芳基丙酮－1肟与卤代烃反应，设计并合成了一系列苯丙酮肟醚类化合物。将该系列化合物的生物活性[Act.(Obs.)]测定结果作为定量构效关系（QSAR）研究的基本数据，并建立了用于指导结构优化的CoMFA和CoMSIA模型[8-10]。利用这两个模型，优化模型中的化合物结构，得到新化合物，并预测它们的结构活性[Act.(Pre.)]；利用自主研发，且具有自主知识产权的疏水常数（log P）、致癌毒性（Car. T.）和致突变毒性（Mut.T.）预测系统，预测新化合物的疏水常数、致癌毒性和致突变毒性。本工作的流程示意图如图3所示，生物测试与预测的结果如图4所示。根据预测结果，有选择地合成其中两个预测活性较高的化合物，对活性的生物测试结果显示，生物测试结果与预测结果相符。

图3　苯丙酮肟醚类化合物设计与优化研究流程图

图4　新化合物预测与生物测试的结果

以上的工作内容和结果表明，现代分子设计模式既充分利用了已有的实验结果，又将现代信息技术融入到分子设计和优化工作中。技术人员可以在化合物合成之前获得化合物的相关信息，这将有助于提高研究效率，减少盲目性，同时体现了绿色化学的一个核心理念：从源头上不要创造废弃物。

2.1.2除草剂莠去津的代谢物毒性预测

莠去津［CAS号（美国化学文摘登记号）：1912-24-9，化学结构式如图5所示］是目前世界上产量最大的除草剂品种之一[11]。它的急性毒性（大鼠经口）半数致死量（LD50）为2 000μg/g，属于低毒物质；AMES（致突变毒性，鼠伤寒沙门氏菌模型）呈阴性[12]，但对人类的致突变毒性为阳性[13]；根据RTECS（化学物质毒性作用登记数据库）标准，它被确定为致癌物[14]。实验结果显示：（1）长期接触莠去津将明显增加患癌症的可能性，并导致内分泌失调；（2）在水环境中，即使是低浓度的莠去津也会对两栖动物产生明显的生殖毒性[15]。

作为商业除草剂，莠去津本身对环境和人类健康的影响已得到重视和关注，但对莠去津受环境因素影响，而产生的其它物质（即代谢物）对环境或人类的不利影响的关注度还有待提高。当代谢物量不多时，其对环境或人类的不利影响不明显，不能及时被发现。人们或管理层，通常会在不良影响变得明显时，才开始关注其原因或来源。为了尽早了解莠去津可能的代谢物及代谢物对环境和人类的潜在不利影响，可以采用化学信息学方法和技术，从相关的信息系统中，查询已有的实验报道；如果没有报道，可以采用预测技术，预测它的代谢物。图5是莠去津的代谢过程及其代谢物。利用化合物致癌毒性、致突变毒性和急性毒性预测系统，预测代谢物的致癌毒性、致突变毒性和急性毒性。表1列出了对莠去津部分代谢物的预测结果。

表1中的数据显示，预测结果与实验结果相符。对于没有实验结果的化合物，预测结果是实验结果的补充，可以为制定对应的预警和管控措施提供支撑信息。

2.2化学品的危险和危害预警

图5　莠去津代谢图[11]

表1　莠去津及其部分代谢物的毒性

化学品在人们的日常生活、国家的经济建设及安全保障中发挥其重要作用的同时，也存在着不可忽视的危害和危险性。随着现代合成方法和技术的发展，新化合物数量的增长速度在加快。目前，美国SCIFINDER数据库收录的化合物数量已达1.14亿种，而在2004年，该数据库收录的化合物数量仅约为2400万种。由于获取化学品的危险和危害性的实验耗费高（时间、费用）且危险性大，已获得的实验数据极少。例如，目前已有致癌毒性实验数据报道的化合物数量不足20万种，只占已知化合物数量的1.8‰。因此，仅仅依靠实验这一种渠道获得依据，并制定相关指标，其效率是非常低的。由于相关指标的缺失，化学品的危险和危害预警效率较低，当然，其中还有其它因素的影响。

续表

从本质上来讲，化学品的危害性或危险性与化合物的某个或某些性质有关。化学信息学中的基于数据和基于逻辑的方法，是化学领域的一种智能技术，可用于管理已有的实验数据，提高实验数据的使用效率。此外，利用数据挖掘方法和技术，分析已有的实验结果，发现隐含的知识，并利用知识推理方法，预测与化合物危险和危害性相关的性质，所得预测结果可为制定预警及应急预案提供技术信息。在此，以三乙基铝为例，介绍利用化学信息学方法和技术，制定对应的应急处理方案的方法。

在本应急处理方案中，主要包含以下七类信息：化合物基本信息；燃烧爆炸原因；燃烧爆炸产生的物质；消防措施；环保措施；人员防护措施；后续应急处置事项。

2.2.1化合物基本信息

利用信息查询，从已有的数据库中，获得三乙基铝的基本信息。

化学品名称：三乙基铝；Aluminum，triethyl-；Triethylaluminium。

CAS号：97-93-8。

化学结构式：

（1）极度易燃，具强腐蚀性、强刺激性，可致人体灼伤。

（2）化学反应活性很高，接触空气会冒烟自燃。

（3）对微量的氧及水分反应极其灵敏，易引起燃烧爆炸，产生氢氧化铝、烷烃气体等物质。

（4）与酸、卤素、醇、胺类接触会发生剧烈反应。

（5）遇水强烈分解,放出易燃的烷烃气体和氢氧化铝。

2.2.2燃烧爆炸原因

利用信息查询，从已有的数据库中，获得引起三乙基铝发生燃烧爆炸的原因信息。

（1）自燃。

（2）泄漏后与水、氧气接触发生爆炸燃烧。

（3）其它（待进一步收集）。

2.2.3燃烧爆炸产生的物质

利用信息查询，从已有的数据库中，获得三乙基铝燃烧爆炸后产生的物质的信息；采用反应预测方法，预测可能的产物。

（1）自燃产物、危害及防护

一氧化碳：易燃易爆，对环境有危害，对水体、土壤和大气可造成污染；对健康有害，需作防护。

二氧化碳：对健康有害，需作防护。

氧化铝：非危化品，但吸入过多时，可能造成刺激或肺部伤害。

（2）泄漏后与水、氧气接触后的爆炸燃烧产物、危害及防护

烷烃（危化品，易燃易爆）：甲烷：易燃、高浓度时对人体有害，适当防护；乙烷：易燃易爆，避免与氟、氯等接触，防止大量吸入；

己烷：易燃易爆，具刺激性，防止吸入；

……

氢氧化铝：非危化品，但对眼睛有刺激性，需作防护。

2.2.4消防措施

利用信息查询，从已有的数据库中获得对应的处理方法。

（1）自燃：采用干粉、干砂灭火，建议采用D类干粉；禁止用水和泡沫灭火。

（2）泄漏后与水、氧气接触发生爆炸燃烧：对于小火，采用二氧化碳和干粉进行灭火；对于大火，采用干砂进行灭火；建议采用D类干粉；禁止用水和泡沫灭火。

2.2.5环保措施

利用信息查询，从已有的数据库中获得对应的环保措施。

（1）自燃：燃烧后产生的一氧化碳对环境有危害，应特别关注地表水、土壤、大气和饮用水的指标。

（2）泄漏后与水、氧气接触发生爆炸燃烧：关注甲烷、乙烷等烷烃类化合物在地表水、土壤、大气和饮用水中的指标，以及鱼类和水生生物的状况；可用焚烧法处置。

2.2.6人员防护措施

利用信息查询，从已有的数据库中获得对应的人员防护措施。

（1）自燃：防止吸入燃烧后的氧化铝粉尘；防止一氧化碳和二氧化碳的吸入。

（2）泄漏后与水、氧气接触发生爆炸燃烧：防止烷烃类气体吸入；注意眼睛防护，防止氢氧化铝对人眼睛的刺激；如发生大量泄漏，应考虑沿最初下风向撤离至少800m；火灾火场内如果有储罐、槽车或罐车，应四周隔离1600m，并考虑初始撤离1600m。

2.2.7后续应急处置事项（燃烧后危害产物）

利用信息查询，从已有的数据库中获得对应的方法。

（1）自燃

一氧化碳（高温易燃）：

消防：采用二氧化碳，干粉（非强氧化剂、碱类）作为灭火剂；

环保：关注地表水、土壤、大气和饮用水的指标。

二氧化碳：

消防：无；

环保：关注地表水、土壤、大气和饮用水的指标。

（2）泄漏后与水、氧接触发生爆炸燃烧

烷烃（危化品，易燃易爆）：

消防：采用二氧化碳，干粉，沙土（非强氧化剂、碱类）作为灭火剂；

避免接触物：氧化剂类化合物，如五氧化溴、氯气、次氯酸、三氟化氮、液氧、二氟化氧和氟气等；

环保：关注地表水、土壤、大气和饮用水的安全指标，以及鱼类和水生生物状况。

在制定三乙基铝应急处理方案的过程中，工作人员使用了信息查询（基于数据）、反应预测（基于逻辑）技术。信息系统的建立与维护在此显示出其特有的重要性及作用。预测技术是对信息系统中数据的再加工和再利用，预测结果是对实验数据的补充，其重要作用显而易见。

3　结语

本文简要介绍了智能技术在绿色化工的化学品设计、化学品危险和危害预警中的应用。化学信息学方法和技术是化学领域的一种智能技术。其中，基于数据的方法，可提高已有实验数据的使用效率；基于逻辑的方法，既有效利用了已有的实验数据，又可从数据中获得知识，并利用知识进行推理，实现对化合物性质的预测。预测技术是对数据库信息的一种有效扩充。

随着计算机科学与技术、信息科学的发展，智能技术将有效促进传统化工向绿色化工的发展，实现化工领域的智能管理、智能设计和智能制造。

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App lication of Intelligent Technology in Green Chem ical Industry

Yao Jianhua Xu Wenli Jiang Shuyang Huang Ying Hu Jing Li Jia

In modern life,chemical products are closely related with our life.The traditional chemical production patterns have adverse effects on environment,human health and life safety,and green chemical production pattern will effectively reduce the environmental pollution and human health hazard which are caused by traditional chemical production.The green chemical production pattern is related to green chemistry,intelligent technology,production process,waste treatment,environmental protection,prevention and treatment of accidents and so on.Intelligent technology has been applied in manufacturing(such as automobile,aircraft,household appliance and textile and so on),data analysis,business and architecture,and it has shown unique advantages.The applications of intelligent technology in the design of chemicals,early warning of risk and hazard of chemicals in green chemical industry are introduced.

Green chemical industry;Intelligent technology;Computermodeling and simulation;Environmental protection;Prevention and treatmentof accident

TQ 015.9

国家973项目（2010CB126103）；国家环保部公益性项目（200709046）

姚建华女1963年生博士研究员研究方向为化学信息学方法与应用

2016年7月