摘要：從國際上對環境問題的重要事件引出了“綠色化學”概念。介紹了“綠色化學”的基本概念、“雙十二條”原則、原子經濟反應及美國“總統綠色化學挑戰獎”，并對“綠色涂料”的新動向及未來做了展望。

關鍵詞：綠色化學；原子經濟反應；雙十二原則；綠色涂料

        Abstract: From the great events of international environment, the idea of “green chemical” is proposed. This paper introduces the basic concept of “green chemical”, “Double Twelve Item” principles, atomic economy reaction and American “Presidential Green Chemistry Challenge Awards”, and narrates the new trends and future prospect of “green chemical”.
        Keyword: green chemical, atomic economy reaction, “Double Twelve Item” principles, green coatings

        20世紀90年代起為了解決化學工業對環境的污染和破壞，使經濟發展和生態環境能和諧相處，“綠色化學”迅速興起，并引起了全球性的關注。

        從1979年2月12-23日在瑞士日內瓦舉行的第一次世界氣候大會，到1990年10月29日至11月7日召開的第二屆世界氣候大會，再到2009年8月31日召開的第三屆世界氣候大會，直至2009年12月在哥本哈根舉行的氣候變化大會，世界各國在減少溫室氣體排放、保護全球氣候方面達成了共識。人類這一切努力，都是希望地球能回到“綠色”中來，那么什么叫“綠色化學”？什么叫“綠色涂料”？怎樣來定義？本文根據現已公布的資料做一簡介。

        化學污染發生后，要想靠治理來恢復到污染生前的生態狀況太難了。污染發生常常通過擴散向自然界（大氣、水流、土壤）浸透，從理論上講是一種“自發過程”，熱力學中稱為一種叫“態函數-熵增加”的過程，屬不可逆過程，因此對于環境來講，先污染再治理是來不及了。要克服治理污染的難點，最佳方案就是使污染不要發生，不使用可能產生污染的污染物，使污染物不生成也就不會有排放，沒有排放就沒有環境被污染的問題及再來治理污染的問題了。“綠色化學”就是在這樣的思維方法下產生的。“綠色化學”又稱環境無害化學、環境友好化學、清潔化學。“綠色化學”即是用化學的技術和方法去消滅或減少那些對人類健康、社會安全、生態環境有害的原料、催化劑、溶劑和試劑在生產過程中的使用，同時也要在生產過程中不產生有毒有害的副產物、廢物和產品。

        “綠色化學”的理想在于不再使用有毒、有害的物質，不再產生廢物。從科學觀點看，“綠色化學”是化學科學基礎內容的更新；從環境觀點看，它是從源頭上消除污染；從經濟觀點看，它合理利用資源和能源，降低生產成本�？梢哉f，綠色化學的研究具有深遠而廣泛的價值。

對于“綠色化學”，最著名的基本原理稱為“雙十二條”（或稱前后十二條）原則，主要內容如下：

        R.T.Anastas和J.C.Waner提出了著名的12條綠色化學原則，作為開發環境無害產品與工藝的指導，這些原則涉及合成工藝的各個方面：

        （1）預防環境污染。防止廢物的產生比產生廢物后進行處理更好。

        （2）提高原子經濟性。設計的合成方法應當使工藝過程中所有的物質都用到最終產品中去。

        （3）提倡無害的化學合成方法。設計的合成方法中所采用的原料與生成的產物對人類與環境都應當是低毒或無毒的。

        （4）設計更安全的化學品。設計生成的產品性能要考慮限制其毒性。

        （5）使用更安全溶劑和助劑。如有可能就不用輔助物質（溶劑、分離試劑等），必須用時也要用無毒的。

        （6）提高能量的使用效率。化工過程的能耗必須節省，并且要考慮其對環境與經濟的影響。如有可能，合成方法要在常溫、常壓下進行。

        （7）使用可再生的原料。使用可再生資源作為原料，而不是使用在技術與經濟上可耗盡的原料。

        （8）減少衍生物的生產。如有可能，減少或避免運用生成衍生物的步驟，因為這些步驟要用外加試劑并且可能產生廢棄物。

        （9）開發新型催化劑。催化劑（選擇性）優于計量反應試劑。

        （10）設計可降解材料�；瘜W產物應當設計成為在使用之后能降解成為無毒害的降解產物而非殘存于環境之中。

        （11）加強預防污染中的實時分析。要進一步開發分析方法，使其可及時進行現場分析，并且能夠在有害物質生成之前就予以控制。

        （12）防止意外事故的安全工藝。在化學過程中，選用的物質以及該物質使用的形態，都必須能防止或減少隱蔽的意外（包括泄露、爆炸與火災等）事故發生。

        利物浦大學化學系Leverhulm催化創新中心的Ninl Winterton提出另外的綠色化學原則12條，簡稱“后十二條”，以幫助化學家們評估每個工藝過程的相對綠色性。“后十二條”的主要內容如下。

        （1）鑒別與量化副產品。

        （2）報道轉化率、選擇性與生產率。

        （3）建立整個工藝的物料衡算。

        （4）測定催化劑、溶劑在空氣與廢水中的損失。

        （5）研究基礎的熱化學。

        （6）估算傳熱與傳質的極限。

        （7）向化學或工藝工程師咨詢。

        （8）考慮全過程中選擇化學品與工藝的效益。

        （9）促進開發并應用可持續性量度。

        （10）量化和減用輔料與其他投入。

        （11）了解何種操作是安全的，并與減廢要求保持一致。

        （12）監控、報道并減少實驗室廢棄物的排放。

        以上這些原則已被國際化學界公認，它既代表了當今化學界在綠色化學領域中的研究內容，也是未來“綠色化學”的發展方向。即從“綠色原料”（可再生資源）出發采用“原子經濟反應”（高選擇性反應）生產出“綠色產品”。此途徑的中心是研究“原子經濟反應”。而反應的原子經濟性概念最早是由美國Stanford大學的M.M.Trost教授提出的，針對一般僅用經濟性來衡量工藝是否可行的傳統做法，他明確指出應用一種新的標準來評估化學工藝過程，即選擇性和原子經濟性兩個概念，后者是考慮在化學反應中究竟有多少原料的原子進入到了產品之中。這一標準要求盡可能充分地利用原料分子中的原子，使之結合到目標分子中，從而最大限度地減少廢物排放量，甚至是零排放。原子經濟反應的重要性目前已被普遍承認。要實現反應的高原子經濟性，就要通過開發新的反應途徑。

        原子利用率＝（預期產物的分子量/反應物質的原子量總和）×100 %

原子利用率越高，反應產生的廢棄物越少，對環境造成的污染也越少。在一般的有機合成反應中：

  

        反應產生的副產物D往往是廢物，因此可成為環境的污染源。綠色有機合成應該是原子經濟性的，即原料的原子100 %轉化成產物，不產生廢棄物。

        總之，要實現“綠色化學”必須要注意如下要點：

        （1）采用無毒、無害的綠色原料。

        （2）采用無毒、無害的綠色試劑。

        （3）采用無毒、無害的綠色溶劑。

        （4）采用無毒、無害的綠色催化劑。

        （5）采用綠色化學原理的設計方案。

        （6）用計算機做綠色化學設計——在線分析化學合成。

2 變罰為獎——美國“總統化學綠色挑戰獎”
        世界上發展中國家對環境污染問題要靠“查”、“罰”、“關”、“停”手段，而在1995年美國總統克林頓首創了“總統綠色化學挑戰獎”，變罰為獎。“總統綠色化學挑戰獎”（PGCCA.The Presidential Green Chemistry Challenge），是總統綠色化學計劃（President Green Chemistry Challenge）的一個重要組成部分，旨在獎勵在研究、開發和應用“綠色化學技術”方面獲得杰出成就的個人、集體或組織。所謂“綠色化學技術”是指將綠色化學的基本觀念應用于化學研究、化工制備以及化學品的利用等方面。這些技術必須有環境保護的應用前景。所獲得的成就必須是在過去的5 a內在美國具有開創性的、起到里程碑意義的工作。該獎共分5類，即小企業獎、學術獎、設計安全化學品獎、創新合成路線獎、改進溶劑和反應條件獎，其中的學術獎又要求達到公認的、極高的學術水平。2006年這個項目已執行了11屆，一些獎項在名稱上做了修改，即將“創新合成路線獎”改為“更加綠色合成路線獎”，將“改進溶劑和反應條件獎”改為“更加綠色的反應條件獎”，將“設計安全化學品獎”改為“設計更綠色的化學品獎”，更加體現“綠色”。

        該獎每年對5個個人和組織進行獎勵，評選標準如下：

        （1）獲提名的技術必須是綠色化學計劃中的項目；

        （2）獲提名的技術有益于人體健康，有助于環境保護。獲獎技術必須具備：減少毒性（急性和慢性），減少疾病和傷害，減少火災和爆炸的可能性，減少排放物，減少危險物的運輸，或在生產過程中減少污染物的使用；提高自然資源的利用率，如使用可再生原料；增加生物的多樣性。

        （3）技術能夠被大量的化學生產廠商、產品用戶和社會廣泛使用。獲提名的技術必須具備：實現綠色化學的可行性；對現有環境問題的補救；具有向其他設備、地區和工業轉移的特性。

        （4）獲提名的技術具有創新性和科學性。創新性是指該技術以前未被使用，科學性是指該技術經得起科學的檢驗，新的制造方式有堅實的科學基礎。評審小組將依據上述標準，對提名的技術進行評定。申請人列明技術的特點有助于專家小組的評定并增加獲獎的可能性。這些特征包括：提名技術同現有技術的比較、毒性數據、減少的危險物的數量、在商業中的應用范圍、其他有益于人類健康和環境的數據等。

        從1996年起到2009年，一系列重要創新性的研究成果不斷產生，極大地推動了世界綠色化學的發展，值得我們學習、借鑒。

        所謂“綠色涂料”是指節能、低污染的涂料，在生產和使用過程中要體現節約能源、保護生態、經濟和高效率的原則。“綠色涂料”的研究和發展方向十分明確，就是要尋求VOC不斷降低、直至為零的涂料，而且其使用范圍要盡可能寬、使用性能優越、設備投資適當等。因而涂料的“綠色化”是將來涂料發展的主要方向。以下是幾種開發較好的新型“綠色涂料”。

        該類型涂料主要特點是在可利用原有的生產方法、涂料工藝的前提下，降低有機溶劑用量，從而提高固體組分。20世紀80年代初由美國人研究開發。通常的低固含量溶劑型涂料固體含量為30 %～50 %，而高固含量溶劑型（HSSC）要求固體達到65 %～ 85 %，從而降低日益嚴格限制的VOC的量。在配方過程中，利用一些不在VOC之列的溶劑作為稀釋劑是一種對嚴格的VOC限制的變通，如丙酮等。

        水區別于絕大多數有機溶劑的特點在于其無毒、無臭和不燃，將水引進到涂料中，不僅可以降低涂料的成本和施工中由于有機溶劑存在而導致的火災，也大大降低了VOC。因此水性涂料從其開始出現起就得到了長足的進步和發展。中國環境標志認證委員會頒布了《水性涂料環境標志產品技術要求》，其中規定:產品中的揮發性有機物含量應小于250 g/L；重金屬總含量應小于500 mg/kg（以鉛計）；甲醛和一些聚合物的含量應小于500 mg/kg。

        粉末涂料是國內比較先進的涂料。粉末涂料理論上是絕對的零VOC涂料，具有其獨特的優點，是涂料發展的最主要方向之一。但其制造工藝相對復雜一些，涂料制造成本高，粉末涂料的烘烤溫度較高，難以得到薄的涂層，涂料配色性差，不規則物體的均勻涂布性差等，使得在應用上會有較大的限制。這些都需要進行廣泛而深入的研究加以改善。

        不含有機溶劑的無溶劑液體涂料有雙液型、能量固化型等。無溶劑液體涂料的新發展動向是開發單液型，且可用普通刷漆、噴漆工藝施工的無溶劑液體涂料。

        從化學污染到“綠色化學”還要走相當漫長的路，而從現在的涂料轉變成“綠色涂料”也要走相當漫長的路，這是一條相當艱難的路，但這是人類要想進步必須走的一條路。什么叫科學？在我們涂料界中實現“綠色涂料”就是最大、最重要的科學。它意義重大、深遠，影響我們整個民族，整個社會，整個生態，整個行業!還有什么比涉及當代及子孫萬代健康更重要的事呢？

[1] 何曉春. 化學與生活. 北京: 化學工業出版社, 2008-02

[2] 徐漢生. 綠色化學導論. 武漢: 武漢大學出版社, 2002

[3] 韓明漢, 金涌. 綠色工程原理與應用. 北京: 清華大學出版社, 2005

[4] P.T阿納斯塔斯, J.C沃納. 李朝軍, 王東, 譯. 綠色化學理論與應用. 北京: 北京科學出版社, 2002