21世纪中国绿色化学与化工发展

21世纪中国绿色化学与化工发展

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。

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。作为一个大国，主要资源的拥有量与人口数量不匹配。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：一级标准城市只占600多个城市中的不到l ％；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％。

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。

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。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，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。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。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。

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。计算化学叫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。

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。

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，高效化肥和复合化肥有赖于进口，传统的氮肥和磷肥工艺能耗和物耗大。针对于此建议研究开发绿色新工艺和新技术，有效利用不丰富的磷钾资源；开发节能降耗的氮肥生产工艺和技术；研究由工农业废弃物、污水、污泥制备缓释肥料；开发节能、低排放、符合生态要求的生产工艺。

2.5 人类保健与化学化工

人类保健与化学化工的密切联系体现在人们日常生活中需要的化学日用品和医药用品。随着人们物质生活水平的不断提高，洗涤用品和化妆品发展十分迅速，生态平衡、节约能源、保护资源是未来洗涤剂工业发展的方向。化妆品将向天然性、生物化、疗效性和功能性方向发展。采用绿色化学设计、绿色化工技术和绿色生产工艺是洗涤用品、化妆品日用化学工业科研和生产部门的重要研究课题。

表面活性剂是洗涤剂和化妆品中最重要的成分，其生物降解性和降解产物的安全性以及对皮肤的刺激性，直接关系到洗涤剂的生态环境及使用性能。应开发和使用性能优越、生态友好的表面活性剂。绿色表面活性剂可由天然再生资源加工，采用绿色催化剂、溶剂和原子经济反应，提高反应的选择性，最大限度地降低产品中有害物质的含量，以达到对人体刺激性低，对环境相容性好。

我国医药工业在近10年中一直保持高速增长，但产品只能以低价位原料药进入国际市场，固然为国家挣了不少外汇。但同时也把大量的严重污染环境的“三废”留在国内，平均而言，传统的制药工艺会产生9倍于预期目标产物的废物，单位产品产污量最高，在25～100之间。长此下去，势必破坏我国的可持续发展战略。为了扭转这种消极被动局面，必须大力提倡和发展“绿色化学制药工业”。

2.6 能源开发利用与化学化工

最新估计，2200年世界天然气和石油将消耗殆尽。能源危机是世界性的，在这一领域化学家面临诸多挑战：开发更加稳定和廉价的能源材料及方法；应用改进的膜、催化剂、电极和电解液开发实用、低廉、更稳定的燃料电池；开发用于氢气制备、分配、储藏及运输的材料、工艺和装置；研究集中安全处理核电厂的放射性废物的方法；开发能量产生及分配新工艺，达到温室气体或有毒物质的零排放。

众所周知，中国能源短缺，雪上加霜的是，我国单位产值能源消耗多出其他发展中国家约l 倍，为发达国家的3～5倍。两方面因素造成中国的能源问题尤为突出，开发丰富的绿色新能源与可再生能源是化学化工必须解决的问题。

洁净煤技术是旨在减少污染和提高效率的煤炭加工、燃烧、转化和污染控制等一系列新技术的总称，它使煤作为一种能源达到最大限度潜能的利用而释放的污染最少，达到煤高效、洁净利用目的。这是当今世界煤化工的主流方向，更是我国能源与经济、环境协调发展的根

本出路。

石油是关系到国民经济发展和国家安全的战略性资源。我国汽柴油的品质较低，致使大气污染严重。应根据清洁汽柴油生产的要求，利用计算机分子模拟、原位表面结构表征、瞬时反应等近代方法，形成汽柴油绿色化的科学基础，进一步加强绿色化途径和化学基础等导向性基础研究。开发新型高效催化剂，建立基于原子经济反应的绿色催化过程，特别要针对重质和劣质石油的深度转化中的重大催化反应过程。绿色催化过程进一步结合环境友好和原子经济的思想，是实现绿色化工产业化的主要动力和技术源头。

可再生能源不但是重要后续能源，而且对生态环境有保护作用，它的利用可达到经济效益和社会效益双赢。生物质能、太阳能和氢能等是我国可重点发展的几个方向。

2.7 新材料与化学化工

新材料与绿色化学化工有着密不可分的联系，一方面，通过绿色化学化工技术开发新材料，另一方面，新材料的应用可以促进绿色化学化工技术的发展。

纳米材料可以制成非常好的催化剂，用来治理环境污染。如纳米TiO2（锐钛型）是重要的降解有机污染物的光催化剂，纳米钛酸钴则是非常好的石油脱硫催化剂，复合稀土化合物的纳米级粉体可以使汽油燃烧时起催化作用使之不再产生氮氧化物等，而根本无需进行尾气净化处理。碳纳米管和纳米纤维是很好的储氢材料，并可以做成燃料电池驱动汽车，可有效避免因机动车尾气排放所造成的大气污染。因此，纳米材料不仅在污染源头预防而且在环境治理方面都有极大的潜力，这正是绿色化学和环境可持续性发展的目的和要求。

有机高分子材料在我国生产和使用规模很大，但是其废弃物绝大部分不能自然降解，污染河流和空气，除严重地威胁着人们的生存环境外，还造成巨大浪费。因此，进行有机高分子材料生态设计与再生利用是人类生存环境的需要，也具有重要的政治和经济意义。在进行“生态高分子材料”绿色化设计时，至少遵循三大原则：（1）在生命周期内应具有对环境冲击负荷低、生命周期长、低成本的基本特点；（2）应具有多次利用或易再生利用的特点，能通过反序加工技术或还原技术还原成原料；（3）应具有低成本回收或低成本再生资源化的 特点。

在建筑材料中，绿色化学和技术生产绿色阻燃剂及阻燃材料的目标是其在整个生命周期（包括设计生产、销售、使用和后处理4个阶段）对4种不同的介质（生物、大气、水和土壤）都无影响或影响最小。今后绿色阻燃材料工业研究的重点应是开发新型环境友好的低烟、低毒无卤产品，采用环境友好的化学反应，在工艺过程中使用无毒无害的原料、溶剂和催化剂。

还有一些新材料也将在绿色化学化工领域大有可为，如甲壳素是性能独特、组织相容性良好、可生物降解的、符合环保要求的绿色材料，其化学开发应用领域异常广阔。稀土功能材料及稀土掺杂材料在氢化物／镍（MH-Ni ）二次电池、燃料电池、锂离子电池为代表的三种绿色化学电源中也得到了广泛的应用。

2.8 安全工程与化学化工

安全工程中的化学化工问题小到日常饮食如食品的检验，大到战争防护如危险的检测，涉及合成、分析、环境、材料等化学化工领域。借助于绿色化学的理论和实践，及其与安全的密切关系，采用环境友好的技术或绿色工艺，将使新过程的危险性大大降低或者没有危险性。开发无公害食品和绿色食品以及食品添加剂、储藏剂、保鲜剂等；采用绿色原料，改进安全的化工生产过程，减小火灾发生的可能性；开发有机溶剂含量低和不含有机溶剂的绿色涂料，降低对人身的危害，增加消防安全；选择零氧平衡配方设计，含氢、氧、碳元素高的、无毒无害的物质作为原料，提高炸药的爆炸性能，减轻对人类生存环境的破坏等。这些绿色化学化工技术和过程以及化工产品对于维护国家和人民的安全具有重要意义。

3 总结与建议

未来经济和社会可持续发展要求传统化学工业必须向绿色化学与化工方向发展，中国的化学与化工面临新的机遇与挑战。面向21世纪，我国绿色化学与化工要加速发展，需要加强以下几个方面的工作：

（1）绿色化学与化工观念的建立。从教育、经济、立法以及社会责任等角度让政府、企业、各级教育机构与化学和化学工程界认识绿色化学与化工的重要性和紧迫性。

（2）形成绿色化学与化工一体化的发展模式。不仅是分子水平的化学和大规模的化学工程技术的融合，还要化学化工与其他学科的交叉。建议我国建立几个“化学科学与工程”国家实验室与科技基地作为绿色科技创新平台；持续大力度地对基础和应用基础研究投入，为创新突破作积累；加强政府、企业、各级教育机构与化学和化学工程界沟通与合作。

（3）加强相关人才的培养。未来的化学和化学工程师应该在开发合成路线、设计生产工艺以及改进生产技术等方面接受并适应绿色化学与化工的要求。