21世纪中国绿色化学与化工发展的思考

书书书　第５５卷　第１２期　　化　　　工　　　学　　　报　　　　　　　Ｖｏｌ．５５　№１２　２００４年１２月　　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　（Ｃｈｉｎａ）　　Ｄｅｃｅｍｂｅｒ　２００４檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭殐殐殐殐综述与专论２１世纪中国绿色化学与化工发展的思考王静康　龚俊波　鲍　颖（天津大学化工学院，天津３０００７２）摘　要　化学科学与工程作为核心科学和关键技术在２０世纪为人类的科学发展和社会进步做出了巨大贡献．进入２１世纪，中国的化学与化工应走上绿色化和可持续发展的道路，使人类与自然和谐相处．本文从８个研究领域对中国绿色化学与化工的发展进行了探讨．关键词　绿色　化学与化工　发展　中国中图分类号　ＴＱ０　Ｘ１　　　　　　文献标识码　Ａ文章编号　０４３８－１１５７（２００４）１２－１９４４－０６犛犗犕犈犜犎犗犝犌犎犜犛犃犅犗犝犜犇犈犞犈犔犗犘犕犈犖犜犗犉犆犎犐犖犈犛犈犌犚犈犈犖犆犎犈犕犐犛犜犚犢犃犖犇犆犎犈犕犐犆犃犔犈犖犌犐犖犈犈犚犐犖犌犐犖犆犎犐犖犃犐犖２１犛犜犆犈犖犜犝犚犢犠犃犖犌犑犻狀犵犽犪狀犵，犌犗犖犌犑狌狀犫狅犪狀犱犅犃犗犢犻狀犵（犛犮犺狅狅犾狅犳犆犺犲犿犻犮犪犾犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵犪狀犱犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔，犜犻犪狀犼犻狀犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔，犜犻犪狀犼犻狀３０００７２，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋　Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙａｎｄｃｈｅｍｉｃａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｒｅｔｈｅｃｏｒｅｓｃｉｅｎｃｅａｎｄｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｗｈｉｃｈｍａｋｅｇｒｅａｔｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎｔｏｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｓｃｉｅｎｃｅａｎｄａｄｖａｎｃｅｍｅｎｔｏｆｈｕｍａｎｓｏｃｉｅｔｙ．Ｉｎｔｈｅｎｅｗｃｅｎｔｕｒｙ，ｃｈｅｍｉｓｔｒｙａｎｄｃｈｅｍｉｃａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｓｈｏｕｌｄｄｅｖｅｌｏｐａｌｏｎｇｔｈｅｇｒｅｅｎａｎｄｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅｒｏｕｔｅａｎｄｍａｋｅｍａｎａｎｄｎａｔｕｒｅｃｏｅｘｉｓｔｈａｒｍｏｎｉｏｕｓｌｙ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｇｒｅｅｎｃｈｅｍｉｓｔｒｙａｎｄｃｈｅｍｉｃａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｉｎＣｈｉｎａｉｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄｉｎ８ａｒｅａｓ．犓犲狔狑狅狉犱狊　ｇｒｅｅｎ，ｃｈｅｍｉｃａｌｓｃｉｅｎｃｅａｎｄｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，Ｃｈｉｎａ　　２００４－０８－１１收到初稿，２００４－１１－０１收到修改稿．联系人及第一作者：王静康，女，６６岁，中国工程院院士．　引　言化学科学与工程是制造新物质，并在原子、分子层次上研究物质转化、制备、功能、用途及其产业化的科学与工程．所有对人类发展产生重大影响的科学技术都需要化学与化工提供的各种功能和性能独特的分子和材料．进入２１世纪以来，人类面临着严峻的资源、能源和环境危机的挑战．一个国家能否发展成为世界强国，不仅取决于目前是否具有较高的发展速度，更大程度上还取决于能否持续稳定发展，这对化学与化工提出了更高要求．１　资源环境约束与化学化工的发展战略地球负载着６０多亿人口，在过去２００余年的工业化进程中，许多宝贵的资源被过度地消耗，大量的污染物排放到环境中，人类赖以生存的环境受到了严重的威胁．　　犚犲犮犲犻狏犲犱犱犪狋犲：２００４－０８－１１．犆狅狉狉犲狊狆狅狀犱犻狀犵犪狌狋犺狅狉：Ｐｒｏｆ．ＷＡＮＧＪｉｎｇｋａｎｇ．犈－犿犪犻犾：ｓｒｃｉｃｔ＠ｔｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ　世界自然基金会和联合国环境规划署联合发表的《２０００年地球生态报告》显示，若按目前的资源消耗速度，地球的资源会在２０７５年耗尽．全球的生态系统正在向危险的临界值接近．环境恶化导致的自然灾害造成了近十年中６０８０亿美元的经济损失．矿物燃料的过分使用使气温变暖，北极冰盖减少４２％，继续变暖会导致水资源的极度缺乏．中国的资源环境问题更是不容乐观［１］．作为一个大国，主要资源的拥有量与人口数量不匹配［２］（见表１）．作为一个发展中国家，中国的发展成本总体高于世界水平，环境污染问题十分严重［１］：一级标准城市只占６００多个城市中的不到１％；流行病的８０％是由于水污染传播；固体废弃物以每年１０％速度增长，存储量已达６．４９亿吨，占地５．１７万顷．化学工业排放的废水、废气和固体废物分别占全国工业排放总量的２２．５％，７．８２％，５．９３％．犜犪犫犾犲１　犘狉狅狆狅狉狋犻狅狀狊狅犳狆狉犻犿犪狉狔狉犲狊狅狌狉犮犲狊狅犳犆犺犻狀犪狋狅狋犺犪狋狅犳狋犺犲狑狅狉犾犱［２］ＲｅｓｏｕｒｃｅｓＰｒｏｐｏｒｔｉｏｎｓ／％ＲｅｓｏｕｒｃｅｓＰｒｏｐｏｔｉｏｎｓ／％ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ２１．１ｏｉｌ２．３４ｐｌｏｗｌａｎｄ７．１ｎａｔｕｒａｌｇａｓ１．２ｗａｔｅｒ７．０ｃｏａｌ１０．９７ｆｏｒｅｓｔ３．５ｉｒｏｎｏｒｅ１４．１一系列触目惊心的数据终于使人类觉醒：如果不采取有效措施改变无序开发自然资源和粗放型发展的方式，子孙后代将面临一个非常凄惨的局面．２０００年八国集团环境部长会议宣言，２１世纪人类经济社会的发展将同２０世纪那种不可能持续的发展模式诀别．人类将理智地利用自然资源，减少废弃物，妥善处理废弃物，并使废弃物再生和循环利用．１９９７年美国国家实验室、企业和大学联合成立了绿色化学院；同年德国联邦政府正式通过了“为环境而研究”的计划；英国皇家化学会主办的国际性杂志《绿色化学》于１９９９年１月创刊，并于２０００年开始颁发绿色化学奖；日本制定了在２１世纪重建绿色地球的“新阳光计划”；２００２年美国化学会年会的主题之一就是倡导绿色化学与化工．绿色化学是当今国际化学科学研究的前沿，是２１世纪化学工业可持续发展的科学基础，其目的是将现有化工生产的技术路线从“先污染、后治理”改变为“从源头上根除污染”．绿色化学的理想一方面是实现反应的“原子经济”性，要求原料中的每一原子进入产品，不产生任何废物和副产品，实现废物的“零排放”，并采用无毒无害的原料、催化剂和溶剂；另一方面是生产环境友好的绿色产品，不产生环境污染［３］．绿色化学与化工越来越受到各国政府、企业和学术界的关注．面对绿色化学与清洁生产技术浪潮，国家自然科学基金委员会和中国科学院组织了绿色化学与技术的咨询活动，一些绿色化学化工的研究课题已纳入国家重大科学技术计划，有关院校也相继成立了绿色化学研究机构．借鉴国际发展的战略［４］，２１世纪中国化学科学与工程的发展应走绿色化道路，强调化学科学与化工技术的紧密结合，实现由分子水平去研究、设计、创造新的有用物质，直至完成其工业制造与转化过程的全程目标，最终实现资源的生态化利用，建立生态工业园区．２　中国化学化工面临的挑战与发展机遇　　资源浪费、环境污染等问题的解决，人民健康水平与生活质量的提高，社会的可持续发展等涉及众多领域，如信息、生命、材料、环境、能源等，它们都与化学化工密不可分、水乳交融．下面从８个方面阐述２１世纪我国化学化工面临的挑战和发展机遇．２１　新物质的合成与制造几乎所有重要领域都对特殊功能分子有着强烈的需求，因此新型功能分子的设计与合成是化学与化工的核心研究领域．有用新物质的创制是化学化工学者研究的永恒主题，它不仅可以带动整个学科的发展，还可以使中国彻底摆脱对国外产品和技术的依赖．２１世纪物质的合成与制造将面临的挑战是：利用分子自组装合成具有特定性质的有序体系；运用理论与计算模拟手段和现代实验方法，在不同时间和空间尺度上研究物质形成与转化过程中的化学本质和规律；揭示分子的运动规律，预测新分子的生态影响，用以指导新物质分子的创造；开发物质合成、转化的新策略和环境友好的新化学体系，实现新的具有特定结构和功能的物质的可控制造；设计高效、环境友好和低能耗的生产工艺．原子经济性、绿色合成是新时期合成化学与化工领域发展的重要内涵．鉴于精细化工生产对生态环境造成的影响最为突出，发展精细化工必须考虑环境保护、降低原材料消耗、节约能源、关键合成技术和专用化技术等问题［５］．基本有机化学品是现代化学工业的重要原料．我国目前的生产工艺大多是２０年前国外开发出来的，有些使用有毒有害的原料、催化剂或溶剂，生产过程排放大量废物．如果仍沿用这些技术增加产量，不仅会大量增加废物处理费用，而且会进一步破坏生态环境、危害人身健康．因此必需探索新的“原子经济性”合成途径，开发以绿色化学为基础的清洁生产工艺［２］．天然产物的全合成是制药行业的基础．自然界中天然产物的数量有限，如果能够批量生产将对治疗疾病、改善生命质量产生巨大影响．·５４９１·　第５５卷第１２期　　王静康等：２１世纪中国绿色化学与化工发展的思考２２　计算化学与产品工程在新的功能分子被发现和确定后，通过产品工程技术向人类提供最经济的产品是实现这些物质价值的必经途径．产品工程的挑战是使集约化的化工厂能高效安全地生产所需产品并对环境产生最小的副作用．资源循环利用是产品工程的新理念，可通过设备强化、过程集成和系统工程的方法实现．作为现代化学研究的有力工具，计算化学已经能够对很多化学体系、化学现象及化学反应提供准确的、较为全面的描述与解释．计算化学可以辅助反应分离试剂的选择、药物的分子设计、工艺流程筛选和大系统优化，不仅节约研究时间，而且降低资源消耗．目前的挑战是研究各种化合物结构和性能的关系，为新药物、农药、材料的开发提供依据；预测与设计生物大分子的空间结构、取向和形态，分析分子分子体系的排列和相互作用；预测反应结果，设计高效催化剂和构筑高效反应体系．过程系统工程研究的目标是力图从资源利用效率、环境影响和经济性诸方面使过程系统实现优化．它借助过程系统模型化方法，通过计算机分析与模拟，利用优化算法，最终使系统物流、能量流、资金流与信息流深度集成，实现化工生产的集约化．２３　环境问题与化学化工传统的化学工业对环境污染十分严重，直到半个世纪以前，人们才刚刚意识到这一点．恰恰是应用化学与化工技术才从污染治理的角度初步解决了问题．要解决未来的环境问题，化学与化工面临许多的挑战：了解大气、土壤、湖泊、溪流和海洋既复杂又相互作用的化学世界，为制定生态环境保护政策提供科学依据；从各个层面上研究物质与环境的相互作用，对产品在生态系统中的分布状况和作用做出真实可靠的评价．开发对环境负责的方法来制造有用产品是保护环境的根本措施，例如采用无毒无害的原料、溶剂、助剂和催化剂，零排放的生产工艺等．例如目前用超临界ＣＯ２替代传统的水和有机溶剂的一场“绿色革命”．废弃物的回收利用不仅可以根治环境污染，而且能够缓解资源危机．源于化工品的大量废弃物主要为废塑料、纤维和废溶液．回收废塑料、纤维等高分子聚合物产品和废溶液中的单体一直是化学家和生产企业的理想．美英等国工业界已经实现了对废弃高分子聚合物的生物法和催化转化法的闭路循环利用，如图１所示．Ｆｉｇ．１　Ｒｅｃｙｃｌｅｏｆｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅｐｏｌｙｍｅｒ　２４　农业与化学化工农业发展的理想模式是生态农业．生态农业是一个自我维持的系统．该系统要使能量减少到最低，并且一切副产物都再循环，使农业生态系统具有稳定性，尽可能保证农村的各种景观并生产出需要的产品，使农业生态体系变得更稳定［６］．我国现有１２．５亿人口，发展农业保证以占世界７％的耕地面积养活占世界总人口２２％的人民是国民经济发展的首要任务，其最主要的措施就是通过化肥和农药不断提高单位面积的产量．发展绿色农药和绿色肥料技术是生态农业和国民经济发展的迫切要求．农药和肥料科学历来是化学化工和农学的交叉学科．绿色农药的发展应优先注意低毒高效的农药．它通过影响、控制和调节各种有害生物的生长繁殖过程抑制有害生物，达到对非指定目标没有影响并且不会长期存留，对人类健康和生态平衡不产生影响．应优先开展以下研究：基于靶标结构或知识的绿色化学农药新先导结构的发现及优化；从天然生物源小分子发现农药的新作用靶标、机制及先导结构；农药抗性变构靶标的研究及其药效活性评价新方法；绿色化学农药创新研究的关键理论方法和技术；农药清洁生产工艺与设备．我国化肥主要问题在于品种单一，氮磷钾比例失调，高效化肥