书城科普读物探索未知-趣说绿色化学
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第6章 绿色化学与环境保护(3)

要知道,纳米技术又可渗透到环保的其他各个领域,将创出更多科技含量高的绿色产品。如:化纤布料制成的衣服虽然艳丽,但因磨擦容易产生静电损伤皮肤,而在生产时只要加入少量的金属纳米微粒,就可以摆脱烦人的静电现象。化纤地毯放电,容易吸附灰尘,如在生产时放进一些金属纳米微粒,同样可以解决这一问题。把银纳米微粒加入到袜子中能够清除脚臭味。冰箱、洗衣机等电器设备使用时间长了也容易产生细菌污染,而采取了纳米材料新设计的冰箱、洗衣机既可以抗菌,又可以除味,增强其防污性能。可以预见,具有科技含量的绿色产品将成为未来世界主要商品市场的主导产品。同时,纳米材料还可以降解有机磷农药、城市垃圾等。

综上所述,被称之为21世纪前沿科学的纳米技术对环境保护产生深远的影响,它有着广泛的应用前景,甚至会改变人们传统环保观念,利用纳米技术解决污染问题将成为未来环境保护发展的必然趋势。为此,我们从现在起应密切关注其发展,并加路强纳米环保项目的研究开发,为今后的可持续发展提供具有高科技含量的环境保障。

(二)采用无毒、无害的原料

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。

在代替剧毒的光气作原料生产有机化工原料方面。Riley等报道了工业上已开发成功的一种由胺类和二氧比碳生产异氰酸酯的新技术。在特殊的反应体系中采用一氧化碳直接羰化有机胺生产异氰酸酯的工业化技术也由Manzer开发成功。Tundo报道了用二氧化碳代替光气生产碳酸二甲酯的新方法。Komiya研究开发了在固态熔融的状态下,采用双酚A和碳酸二甲酯聚合生产聚碳酸酯的新技术。它取代了常规的光气合成路线,并同时实现了两个绿色化学目标。一是不使用有毒有害的原料,二是由于反应在熔融状态下进行。不使用作为溶剂的可疑的致癌物——甲基氯化物。

关于代替剧毒氢氰酸原料,Monsanto公司从无毒无害的二乙醇胺原料出发,经过催化蜕氢,开发了安全生产氨基二乙酸钠的工艺,改变了过去的拟氨、甲醛和氢氰酸为原料的二步合成路线。并因此获得了1996年美国总统绿色化学挑战奖中的变更合成路线奖。

(三)采用无毒、无害的催化剂

目前烃类的烷基化反应一般使用氧氟酸、硫酸、三氯化铝等液体酸催化剂。这些液体催化剂共同缺点是,对设备的腐蚀严重、对人身危害和产生废渣、污染环境。为了保护环境,多年来国外正从分子筛、杂多酸、超强酸等新催化材料中大力开发固体酸烷基化催化剂。其中采用新型分子筛催化剂的乙苯液相烃化技术引人注目,这种催化剂选择性很高。乙苯重回收率超过99.6%,而且催化剂寿命长。还有一种生产线性烷基苯的固体酸催化剂替代了氢氟酸催化剂,改善了生产环境,已工业化。在固体酸烷基化的研究中,还应进一步提高催化剂的选择性。以降低产品中的杂质含量、提高催化剂的稳定性;以延长运转周期、降低原料中的苯烯比;以提高经济效益。异丁烷与丁烯的烷基化是炼油工业申提供高辛烷值组分的一项重要工艺。近年新配方汽油的出现,限制汽油中芳烃和烯烃含量更增添了该工艺的重要性。目前这种工艺使用氢氟酸或硫酸为催化剂。

(四)采用无毒、无害的溶剂

大量的与化学品制造相关的污染问题不仅来源于原料和产品,而且源自在其制造过程中使用的物质。最常见的是在反应介质、分离和配方中所用的溶剂。当前广泛使用的溶剂是挥发性有机化合物。其在使用过程中有的会引起地面臭氧的形成。有的会引起水源污染。因此,需要限制这类溶剂的使用。采用无毒无害的溶剂代替挥发性有机化合物作溶剂已成为绿色化学的重要研究方向。

在无毒无害溶剂的研究中,最活跃的研究项目是开发超临界流体。特别是超临界二氧化碳作溶剂。超临界二氧化碳是指温度和压力均在其临界点以上的二氧化碳流体。它通常具有液体的密度,因而有常规液态溶剂的溶解度。在相同条件下,它又具有气体的黏度,因而又具有很高的传质速度。而且,由于具有很大的可压缩性,流体的密度、溶剂溶解度和黏度等性能均可由压力和温度的变化来调节。超临界二氧化碳的最大优点是无毒、不可燃、价廉等。

除采用超临界溶剂外,还有研究水或近临界水作为溶剂以及有机溶剂/水相界面反应。采用水作溶剂虽然能避免有机溶剂,但由于其溶解度有限,限制了它的应用,而且还要注意废水是否会造成污染。在有机溶剂/水相界面反应中,一般采用毒性较小的溶剂(甲苯)代替原有毒性较大的溶剂,如二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、醋酸等。采用无溶剂的固相反应也是避免使用挥发性溶剂的一个研究动向,如用微波来促进固相有机反应。

(五)利用可再生的资源合成化学品

利用生物量代替当前广泛使用的石油,是保护环境的一个长远的发展方向。1996年美国总统绿色化学挑战奖中的学术奖授予Taxa A大学M.Holtzapp教授,就是其开发了一系列技术,把废生物质转化成动物饲料、工业化学品和然料。

物质主要由淀粉及纤维素等组成。前者易于转化为葡萄糖。而后者则由于结晶及与木质素共生等原因,通过纤维素酶等转比为葡萄糖,难度较大。Frost报道以葡萄糖为原料,通过酶反应可制碍乙二酸、邻苯二酚和对苯二酚等。尤其是不需要从传统的苯运作为尼龙原料的乙二酸取得了显著进展。由于苯是已知的治癌物质,以经济和技术上可行的方式,从合成大量的有机原料中取除苯是具有竞争力的绿色化学目标。

另外,Gfoss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,聚合物还具有生物降解功能。

(六)环境友好产品

在环境友好产品方面,从1996年美国总统绿色化学挑战奖看,设计更安全化学品奖授予RohmHaas公司。由于其开发成功了一种环境友好的海洋生物防垢剂。小企业奖授予Donlar公司。因其开发了两个高效工艺以生产热聚天冬氨酸,它是一种代替丙烯酸的可生物降解产品。

在环境友好机动车燃料方面,随着环境保护要求的日益严格,1990年美国清洁空气法(修正案)规定,逐步推广使用新配方汽油,减小由汽车尾气中的一氧化碳以及烃类引发的臭氧和光化学烟雾等对空气的污染。新配方汽油要求限制汽油的蒸汽压、苯含量,还将逐步限制芳烃和烯烃含量。还要求在汽油中加入含氧化合物,比如甲基叔丁基醚、甲基叔戊基醚。这种新配方汽油的质量要求已推动了汽油的有关炼油技术的发展。

柴油是另一类重要的石油炼制产品。对环境友好柴油,美国要求硫含量不大于0.05%,芳烃含量不大于20%,同时十六烷值不低于40。瑞典对一些柴油要求更严。为达到上述目的,一是要有性能优异的深度加氢脱硫催化剂;二是要开发低压的深度脱硫/芳烃饱和工艺。国外在这方面的研究已有进展。

此外,保护大气臭氧层的氟氯烃代用品已在开始使用。防止“白色污染”的生物降解塑料也在使用。

三、我国绿色化学的活动

我国在绿色化学方面的活动也逐渐活跃。1995年,中国科学院化学部确定了《绿色化学与技术》的院士咨询课题。1996年,召开了“工业生产中绿色化学与技术”研讨会,并出版了《绿色化学与技术研讨会学术报告汇编》,1997年,国家自然科学基金委员会与中国石油化工集团公司联合立项资助了九五重大基础研究项目“环境友好石油化工催化化学与化学反应工程”;中国科技大学绿色科技与开发中心在该校举行了专题讨论会,并出版了“当前绿色科技申的一些重大问题”论文集;香山科学会议以“可持续发展问题对科学的挑战——绿色化学”为主题召开了第72次学术讨论会。1998年,在合肥举办了第一届国际绿色化学高级研讨会;《化学进展》杂志出版了“绿色化学与技术”专辑;四川联合大学也成立了绿色化学与技术研究中心。上述活动已推动了我国绿色化学的发展。