王哲勤

(吉林廣播電視大學(xué)吉林市分校,吉林市 132000)

綠色化學(xué)發(fā)展前景探索與挑戰(zhàn)

王哲勤

(吉林廣播電視大學(xué)吉林市分校,吉林市 132000)

現(xiàn)如今,無論是政府部門、化工企業(yè)、還是化學(xué)化工研究所在科技領(lǐng)域和環(huán)境之間關(guān)系的問題上,都面臨著一個(gè)重大的挑戰(zhàn):如何革新材料之應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)“綠色化學(xué)”發(fā)展之路。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn),來自不同領(lǐng)域的專家們的跨學(xué)科合作是非常有必要的。傳統(tǒng)上,為了減少接觸有害于健康和對環(huán)境污染的材料,相關(guān)機(jī)構(gòu)通常需要干預(yù)化學(xué)材料與化學(xué)物品的風(fēng)險(xiǎn)管理?xiàng)l例。1990年在美國頒布的《污染預(yù)防法案》鼓勵(lì)推行一種新的理念,即“杜絕污染源”。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)理念,一種新興方法繼而產(chǎn)生,即將多種環(huán)保觀念及利益與那些使用并創(chuàng)造新材料的一線化學(xué)家們聯(lián)系在一起,這種方法被稱為“綠色化學(xué)”。該方法致力于減少化學(xué)材料本身的危害,而不單是著眼于通過減少對有害物質(zhì)的接觸來降低風(fēng)險(xiǎn)。本文引用了一些美國數(shù)據(jù),闡述了化工生產(chǎn)利益鏈里不同利益相關(guān)者在所代表的利益,以及綠色化學(xué)應(yīng)用所帶來的挑戰(zhàn)。

綠色化學(xué);十二項(xiàng)原理;環(huán)境影響評價(jià)

一、重大挑戰(zhàn)

以往傳統(tǒng)的化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)給環(huán)境帶來了十分嚴(yán)重的污染,目前世界各國每年產(chǎn)生的有害廢氣、廢水、廢物達(dá)3億噸～4億噸,給全世界環(huán)境造成嚴(yán)重的危害,并且威脅著人類的生存和發(fā)展。某些傳統(tǒng)的化學(xué)化工產(chǎn)業(yè)正低效地耗費(fèi)著國家大量的資源,一方面生產(chǎn)帶來嚴(yán)重的環(huán)境污染,另一方面會(huì)導(dǎo)致自然資源的短缺。為了全人類社會(huì)的持續(xù)繁榮和發(fā)展,一方面必須走資源節(jié)約型的發(fā)展方向,另一方面需要開拓新的資源以及“綠色化學(xué)”生產(chǎn),實(shí)現(xiàn)資源的生態(tài)化利用和可持續(xù)發(fā)展,并且要求整個(gè)開發(fā)和利用過程都是“綠色化學(xué)”的生產(chǎn),而這正是化學(xué)化工科學(xué)與技術(shù)研究的重點(diǎn)領(lǐng)域。

實(shí)現(xiàn)“綠色化學(xué)”必須要革新材料,如何革新材料及應(yīng)用是政府部門、化工企業(yè)和化工研究所在處理科技領(lǐng)域和環(huán)境之間的關(guān)系的問題上所面臨的重大挑戰(zhàn)。應(yīng)對這一挑戰(zhàn)需要有敏銳的洞察力和遠(yuǎn)見卓識的判斷力,并且對跨領(lǐng)域合作者們的合作中所涉及到的不確定因素有清晰的了解。

環(huán)境影響評價(jià)(EIA,Environmental Impact Assessment)是一項(xiàng)控制環(huán)境影響的制度,旨在減少項(xiàng)目開發(fā)導(dǎo)致的污染、維護(hù)人類健康與環(huán)境的生態(tài)平衡。環(huán)境影響評估(EIA)的執(zhí)行者們致力于滿足各個(gè)利益相關(guān)者所涉及到的廣泛的利益需求。目前在許多國家已經(jīng)執(zhí)行,理論上屬于可行性研究的一部分,但因?yàn)榄h(huán)境污染問題是屬于關(guān)系到社會(huì)所有人群的問題,所以國家要強(qiáng)制控制。而通常對材料和化學(xué)品風(fēng)險(xiǎn)管理的方法通常被系統(tǒng)地闡述為干預(yù)方法,即減少接觸對健康有害和環(huán)境污染的化學(xué)化工材料方法。直到1990年頒布了《污染預(yù)防法案》,其鼓勵(lì)推行一種新理念,即“綠色化學(xué)”、“杜絕污染源”(或者“從根源杜絕污染”)。為了迎接這一重大的革新挑戰(zhàn),一種新興的方法繼而產(chǎn)生,即將多種的環(huán)保觀念及利益與那些使用并創(chuàng)造新材料的化學(xué)家們聯(lián)系在一起。這種被稱為“綠色化學(xué)”的方法致力于減少化學(xué)材料本身的危害,而不單是著眼于通過減少對有害物質(zhì)的接觸來降低風(fēng)險(xiǎn)。這一理念的產(chǎn)生可以使公眾對于化學(xué)污染問題的解決有了新的認(rèn)識。

化學(xué)工業(yè)比其他任何一項(xiàng)工業(yè)排放的有害廢料都要多,而其排放的廢料總量甚至超過了其他行業(yè)排放的總和[1]。綠色化學(xué)的科研工作主要是圍繞化學(xué)反應(yīng)、原材料、催化劑、溶劑和產(chǎn)品的綠色化工展開的,達(dá)到從源頭上盡量減少甚至杜絕化學(xué)化工生產(chǎn)對環(huán)境污染,實(shí)現(xiàn)三廢的零排放的目的。綠色化學(xué)的研究與開發(fā)綠色化學(xué)技術(shù)中最理想的是采用“原子經(jīng)濟(jì)”反應(yīng),實(shí)現(xiàn)反應(yīng)的綠色化工,即原料分子中的每一原子都轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品,不產(chǎn)生任何廢物污染和副產(chǎn)物,實(shí)現(xiàn)廢物的“零排放”。必須從原料、工藝和設(shè)備方面來解決,大力研究與開發(fā)從整個(gè)工程鏈中減少或消除對環(huán)境的污染,實(shí)現(xiàn)綠色工程技術(shù),并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)過程系統(tǒng)相綜合,降低能耗,實(shí)現(xiàn)三廢最小化和環(huán)境影響最小化。

未來十年綠色化學(xué)主要研究的問題(又稱十二項(xiàng)原則)是:

1)從源頭上制止污染,而不是在末端治理污染;

2)合成方法應(yīng)具有原子經(jīng)濟(jì)性,即盡量使參加過程的原子都進(jìn)入最終產(chǎn)物;

3)在合成方法中盡量不使用和不產(chǎn)生對人類健康和環(huán)境有毒有害的物質(zhì);

4)設(shè)計(jì)具有高使用效益低環(huán)境毒性的化學(xué)品;

5)盡量不使用溶劑等輔助物質(zhì),不得已使用時(shí)它們必須是無害的;

6)生產(chǎn)過程應(yīng)該在溫和的溫度和壓力下進(jìn)行,而且能耗應(yīng)最低;

7)盡量采用可再生的原料,特別是用生物質(zhì)代替石油和煤等礦物原料;

8)盡量減少副產(chǎn)品;

9)使用高選擇性的催化劑;

10)化學(xué)產(chǎn)品在使用完后應(yīng)能降解成無害的物質(zhì),并且能進(jìn)入自然生態(tài)循環(huán);

11)發(fā)展適時(shí)分析技術(shù)以便監(jiān)控有害物質(zhì)的形成;

l2)選擇參加化學(xué)進(jìn)程的物質(zhì),盡量減少發(fā)生意外事故的風(fēng)險(xiǎn)?！雹?/p>

這些條款旨在化學(xué)物料投入,產(chǎn)品生產(chǎn)與廢料處理方面進(jìn)行創(chuàng)新改造。綠色化學(xué)的最大特點(diǎn)是在生產(chǎn)的開始就采用必須預(yù)防污染的科學(xué)技術(shù)手段,因而生產(chǎn)過程和產(chǎn)品終端均為零排放或零污染?，F(xiàn)在世界上許多國家已經(jīng)把“化學(xué)的綠色化”作為21世紀(jì)化學(xué)進(jìn)展的主要研究方向之一。

隨著綠色化學(xué)理念在化工領(lǐng)域的傳播,其它領(lǐng)域也會(huì)掀起綠色革命的挑戰(zhàn)。

二、新興趨勢

綠色化學(xué)的發(fā)展前景已呈現(xiàn)出新興趨勢,如政策制度,行業(yè)計(jì)劃,以及創(chuàng)新材料應(yīng)用與科學(xué)技術(shù)發(fā)展有著密切的聯(lián)系。綠色化學(xué)的挑戰(zhàn)和前景影響取決于對于其接受度和實(shí)踐環(huán)節(jié)的熟悉度。

當(dāng)前世界各國都在各個(gè)領(lǐng)域大力推崇和發(fā)展綠色化學(xué)的理念。在法國綠色化學(xué)的強(qiáng)勁增長給農(nóng)業(yè)發(fā)展帶來了全新思路。隨著綠色化學(xué)的不斷發(fā)展和迅速升溫,未來這一新興產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造的財(cái)富很可能超過農(nóng)產(chǎn)品本身,僅生物能源這一項(xiàng)就將產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。美國國家研究委員會(huì)預(yù)測,到2020年,50%的有機(jī)化學(xué)品和材料將產(chǎn)自植物,而生物化學(xué)工藝必將起核心作用。

而在1998年,美國化工企業(yè)貿(mào)易額達(dá)到1.5萬億美元,占了全球收入的7%,全球貿(mào)易的9%,這其中80%的產(chǎn)值來自于16個(gè)國家。而預(yù)計(jì)2020年該類產(chǎn)品比1995年增長85%,大致與GDP增長速度一致,那時(shí)這16個(gè)國家之外的其他國家會(huì)有著強(qiáng)烈的市場滲透,這會(huì)特別體現(xiàn)在在日用品化工方面。在過去的這個(gè)世紀(jì)里,增長幅度最大的是以石油化學(xué)為基礎(chǔ)的塑料產(chǎn)業(yè),而就收入而言,醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)則稱霸了過去的幾十年,現(xiàn)在總體的生產(chǎn)方向已經(jīng)由日用品化工為主導(dǎo)地位轉(zhuǎn)向了精細(xì)化工和生命科學(xué)。

綠色化學(xué)的應(yīng)用前景主要在研發(fā)部門,研發(fā)部門在化工領(lǐng)域的投資大約為總產(chǎn)量的5%。在1987年與1997年之間,研發(fā)部門的花費(fèi)增長了一倍。研發(fā)部門的化學(xué)品投資位于所有企業(yè)花費(fèi)清單里接近首位的位置,這些投資主要靠合作來籌集基金。大多數(shù)的化工企業(yè)在經(jīng)濟(jì)層面都是資本密集形式,因此大公司通常只能緩慢地轉(zhuǎn)換新技術(shù)?；て髽I(yè)的前進(jìn)動(dòng)力主要是擴(kuò)大規(guī)模,減少開銷,增加主要工藝方法的革新而不是重要支柱產(chǎn)品的替換。研發(fā)資金中的國家投入部分對于綠色化學(xué)的發(fā)展至關(guān)重要,因?yàn)榇蟛糠謧€(gè)人資金直接投入了現(xiàn)有工藝的生產(chǎn)。

化學(xué)制品方面的工藝革新常常十分冒險(xiǎn)且昂貴,并需要多種技術(shù),花費(fèi)大量時(shí)間。為了對綠色化學(xué)在工廠層面的發(fā)展速度有一個(gè)大概的預(yù)測框架,我們來比較一下不同工業(yè)的更新速度來增強(qiáng)說服力。發(fā)展速度最快的行業(yè)之一是個(gè)人電腦,少于六個(gè)月的產(chǎn)品更新速度,2到4年的工藝技術(shù)周期,而半導(dǎo)體行業(yè)分別是1-2年的產(chǎn)品更新速度和3-10年的工藝技術(shù)周期。而更新最慢的是石油化工業(yè),一個(gè)新產(chǎn)品的技術(shù)周期是10至20年,而主要工藝技術(shù)更新則要20到40年的時(shí)間。醫(yī)藥行業(yè)位于中間位置,7至15年的產(chǎn)品周期和5至10年的工藝技術(shù)周期。由此可見,化工領(lǐng)域的更新與新理念的推廣是個(gè)十分緩慢的進(jìn)程。

由大型跨國公司生產(chǎn)的高濃度產(chǎn)品每年高達(dá)上百萬噸,但在美國制造的5萬多種化學(xué)物中,超過95%都是由員工少于50人的公司生產(chǎn),產(chǎn)量大致為每年1000噸。在美國大約有3000家專門的化學(xué)品公司(1750家工業(yè)化學(xué)品, 1225家醫(yī)藥化學(xué)品),而大約有6000家公司生產(chǎn)其他相關(guān)化學(xué)產(chǎn)品。在美國的化工領(lǐng)域里,大約有近90000位致力于革新的研發(fā)化學(xué)家,工程師和技術(shù)員,這些相對少數(shù)的工作者們支撐著有巨大經(jīng)濟(jì)推動(dòng)力的化學(xué)研發(fā)和革新。

其實(shí),綠色化學(xué)這個(gè)理念是一個(gè)重新定位的以應(yīng)用科學(xué)為基礎(chǔ)的科學(xué)研究,并非是那種被認(rèn)為“在研究中心從事基礎(chǔ)科學(xué)的學(xué)術(shù)研究而忽視那些主要社會(huì)問題”的研究。因此當(dāng)研發(fā)部門的個(gè)人投資開始占主導(dǎo)地位時(shí)(約為65%),為其自身利益,研究工作開始轉(zhuǎn)向“以獲得實(shí)際利益為主導(dǎo),忽略發(fā)展技術(shù)的邊緣地帶”。為改變這一狀況,衍生出了政府和公司的合作關(guān)系,這種研發(fā)部門的合作方式在鼓勵(lì)生物產(chǎn)品的發(fā)展方面特別有成效。在19世紀(jì)80年代,據(jù)估計(jì),現(xiàn)代工業(yè)化的國家在防止和減少污染方面貢獻(xiàn)了1-2%的GDP。到19世紀(jì)90年代中期,美國所有的私營企業(yè)為了減輕污染所造成的花費(fèi)占了GDP的1. 5%。而早在19世紀(jì)70年代,美國為了處理技術(shù)危機(jī)所造成的社會(huì)花費(fèi)估計(jì)為7-12%的GDP,其中一半用在了危機(jī)管理,余下的用在了人力物力以及環(huán)境方面。像化工公司這樣,在減少與控制污染方面的花費(fèi)與研發(fā)方面的花費(fèi)幾乎一樣多的情況是很少見的。因此,綠色化學(xué)在化工領(lǐng)域的應(yīng)用可以使公司企業(yè)獲得很大的經(jīng)濟(jì)利益。

在合成、應(yīng)用以及基本現(xiàn)象研究方面,綠色化學(xué)應(yīng)致力于一種長期的社會(huì)目標(biāo)。社會(huì)對于毒性和環(huán)境影響擔(dān)憂也植入了綠色化學(xué)對于化學(xué)家們的指導(dǎo)準(zhǔn)則里。這已經(jīng)作為一種科學(xué)挑戰(zhàn)歸入了化學(xué)工程研究探索中,找尋可替代的供給,溶液和合成方法,化學(xué)家們必須面對這個(gè)挑戰(zhàn)。

三、綠色化學(xué)

在“綠色化學(xué)十二項(xiàng)原理”中提到了一種新的思考模式,即在“做科學(xué)”(doing science)的模式中尋求容納環(huán)境利益相關(guān)者的利益。首先我們開始思考化學(xué)家在實(shí)現(xiàn)綠色化工中的角色。與之前的許多對抗政府部門、工廠、非政府組織和保險(xiǎn)公司的理念不同,綠色化學(xué)認(rèn)為是一個(gè)合作的計(jì)劃。在1996年,美國化學(xué)聯(lián)合會(huì)開始以“總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)”(Presidential Green Chemistry Challenge)這一項(xiàng)目來認(rèn)可化學(xué)與技術(shù)的成就,這說明綠色化學(xué)開始被賦予更多的期望。

現(xiàn)如今全世界每年大約有三百萬的化學(xué)家完成57萬至70萬篇文章,其中大約有四分之三報(bào)道了90萬至130萬新化合物。其實(shí)一位化學(xué)家在他的職業(yè)生涯中可能生產(chǎn)出幾千種新化合物,卻很難獲得關(guān)于這些化合物在環(huán)境中的潛在毒性或者與其他材料的相互作用的信息。因此,關(guān)于化學(xué)生命周期和基本性質(zhì)是綠色化學(xué)教育中一個(gè)很重要的成分。

根據(jù)化學(xué)研發(fā)中心的數(shù)據(jù),化學(xué)方面專利與出版物的比例緩慢增加至20-25%,然而專利與新化合物的發(fā)現(xiàn)的比例卻連續(xù)30年穩(wěn)定在16%。盡管人們越來越強(qiáng)調(diào)應(yīng)用研究的重要性,但是只有四分之一的已發(fā)表研究涉及到了最終的應(yīng)用。大約一半的化學(xué)出版物涉及到了提高合成能力,其實(shí)生產(chǎn)大多數(shù)新物質(zhì)的最終目的就是提高合成的生產(chǎn)能力,并不是最終的應(yīng)用性。而綠色化學(xué)不僅限于應(yīng)用于已有的化合物生產(chǎn)上,并寄予希望與這些新物質(zhì)的應(yīng)用上。在過去的這些年里,科學(xué)出版物里引用“綠色化學(xué)”這個(gè)詞語的數(shù)量已經(jīng)成對數(shù)增長的趨勢。

現(xiàn)在化學(xué)領(lǐng)域里已經(jīng)容納了“綠色化學(xué)十二項(xiàng)原理”,并成為一種旗幟在世界范圍的網(wǎng)絡(luò)里流傳。這個(gè)準(zhǔn)則的支持者們在研究和教育的前沿領(lǐng)導(dǎo)著這個(gè)運(yùn)動(dòng),其實(shí)更重要的是在時(shí)刻運(yùn)作的公司實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行這些活動(dòng)。這是一場心靈與精神的戰(zhàn)斗,在未來材料方面,與政府、機(jī)構(gòu)或者市場相比,那些有競爭力的個(gè)體或個(gè)人能激發(fā)和發(fā)揮出更多的力量。一個(gè)化學(xué)家的權(quán)威覆蓋了他們自己的專業(yè)領(lǐng)域,管理他們的實(shí)驗(yàn)室以及進(jìn)行創(chuàng)造性的革新。但一位化學(xué)家研究結(jié)果的商業(yè)化離他們本身的工作相距很遠(yuǎn),這涉及到了環(huán)境影響評估(EIA),實(shí)際上,環(huán)境影響評估(EIA)的利益更直接地與化學(xué)工程師和工藝專家相關(guān)。從代理理論(Agency Theory)的角度出發(fā),一個(gè)化學(xué)家不會(huì)有制度權(quán)威,不會(huì)直接控制資本投資,也不會(huì)在實(shí)驗(yàn)室里處于在一種能獎(jiǎng)勵(lì)或者懲罰他人的位置上,但是有時(shí)化學(xué)家的發(fā)現(xiàn)能引發(fā)資源重心的轉(zhuǎn)變。綜上所述,綠色化學(xué)已被全球列為21世紀(jì)實(shí)現(xiàn)化學(xué)化工行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)重要戰(zhàn)略任務(wù),是解決資源潰乏、能源緊缺、環(huán)境日益惡化的重要途徑,是提高人類生存質(zhì)量和保證國家與人民安全生活的核心基礎(chǔ)科學(xué)與技術(shù)。未來,綠色化學(xué)與清潔生產(chǎn)工藝技術(shù)將向革新材料、節(jié)能環(huán)保的方向發(fā)展?；瘜W(xué)與材料、生命、信息、能源、資源、環(huán)境等領(lǐng)域的結(jié)合將開辟綠色發(fā)展方向,為全面提高人類生活質(zhì)量和環(huán)境改善提供多種發(fā)展途徑。從廣義的角度,綠色化學(xué)帶來的表面上的強(qiáng)制約束,似乎正在促使新一波的工業(yè)革新。我們有理由相信綠色化學(xué)會(huì)給化工行業(yè)帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。隨著綠色化學(xué)正在日益深入人心,人們都被潛移默化的影響著,化學(xué)化工行業(yè)正在一天一天的革新,我們相信在不久的將來越來越多的企業(yè)將會(huì)走上綠色化學(xué)發(fā)展的道路,全世界綠色化學(xué)的發(fā)展前景越走越順暢。

注 釋:

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]綠色化工發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢。[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.

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1008-7508(2012)09-0128-03

2012-05-14

王哲勤(1961～)女,吉林市人,吉林分校教學(xué)處副教授,主要研究方向:化學(xué)教學(xué)及研究、計(jì)算機(jī)教學(xué)。