专访韩布兴院士,从科学的角度了解绿色化学

导言:详细解读绝大多数人都不知道的“绿色化学”。

韩布兴,中国科学院院士,发展中国家科学院院士,发展中国家科学进步研究员,绿色化学领域的领军人物之一。图片由本人提供。 

在可以预见的将来,人类还将继续生活在太阳系中的这颗蓝色行星,地球上。在这颗空间有限、资源有限、环境容量有限的星球上,人口还将增长,人们的生活质量也还将提高。在发展与环境的矛盾之中,如何保护地球生态与环境、实现可持续发展是人类面临的挑战。致力于将化学化工全产业链绿色化的学科“绿色化学”,已经并将继续为此贡献力量。

《国家科学评论》(NSR) 采访了绿色化学领域的领军人物之一,中科院化学所研究员韩布兴院士。他从科学的角度介绍了绿色化学的实现路径和发展方向,并对绿色化学领域面临的一些重要问题进行了分析。


01 绿色化学

NSR:绿色化学的概念是怎样提出的?它的目标是什么?


韩布兴:绝大多数人类制造的产品都涉及一个或多个化学过程。化学工业生产各种重要化学品、材料、能源产品,为人类的文明和社会进步做出了巨大贡献。但同时不能否认的是,许多传统化学化工过程伴随着严重的资源浪费,并且对环境造成污染,包括大气、土壤、水。如何使化学工业在创造物质财富的同时,保护人类赖以生存的环境,是人类面临的重大挑战。

在这样的背景之下,上世纪90年代初美国学者提出了绿色化学的概念。随后提出的绿色化学十二条原则,迄今已被绿色化学界普遍接受。简单地讲,绿色化学的定义可表述为:通过对产品和生产过程的设计,尽量减少或避免有害原料的使用和有害物质、废弃物的产生。绿色化学的目标是从源头上消除污染,提高效益、节约资源和能源、实现化学化工的可持续发展,对环境友好。


NSR:实现绿色化学目标的核心思路是怎样的?


韩布兴:绿色化学要对整个化学化工生产链都进行绿色化,使用无毒无害和可再生的绿色原料、绿色的溶剂、绿色的催化剂和助剂、原料利用率高的合成路线、绿色工艺与技术,来合成对环境友好的产品,并且要努力做到经济上合理,降低生产成本。

概括来讲,实现化工产业绿色化主要有两条途径。第一是采用原子经济性反应,把原料中的每一个原子都变成产品,不产生副产品或废弃物。但是,在许多化工生产过程中,副产品的产生是不可避免的,而这些副产品可能会污染环境。所以,绿色化学实现的第二条途径就是,把一个生产过程的副产品变成另一个生产过程的原料,形成循环或者链条,也可以将原料“吃干榨净”。总体来说,第二条途径更具普适性。

 

NSR:绿色化学如何影响材料科学?


韩布兴:化学和材料科学密不可分。绿色化学的重要内容之一就是采用绿色原料和技术,生产环境友好的高性能材料。

材料产业的多个环节都可能造成环境污染。首先,许多材料的生产过程会污染环境。其次,目前生产和使用的多种材料本身就含有害物质,直接危害人类健康。再次,有些材料会在使用后对环境有害。因此,材料本身和材料生产过程都需要绿色化。

目前人们对绿色化学与材料科学的交叉十分重视,正在不断开发材料合成的绿色技术、生产使用绿色涂料、医用材料、装饰材料、高分子材料等。比如说,我们可以用水代替涂料中的有机溶剂,制成更加环保的水性涂料;可以用二氧化碳、生物质作为原料合成可降解、并具有特殊性能的聚合物材料;可以用纤维素等天然高分子制备生物质基聚合物材料等。这些新型材料的使用可以减轻人们对化石资源的依赖,并且能够充分利用可再生资源的结构特点,得到许多传统方法难以制备的含有特殊官能团的功能材料。对材料科学来说,实现材料设计、制备、使用、回收、循环利用全周期的绿色化是十分重要的。

 

02 绿色溶剂

NSR:您在绿色溶剂方面做了很多工作,溶剂对于化学反应的绿色化有怎样的作用?


韩布兴:全球每年有上千万吨有机溶剂挥发到大气中,既是浪费,也造成严重污染。绿色溶剂具备两个主要特点:一是自身无毒无害;二是能够有效提高化工生产效率、使产品分离过程更加简单,并易于循环利用。

比如我研究的超临界流体,包括超临界二氧化碳等。它本身无毒无害,并且使用后只需要减压就可以净化回收,完成循环利用。此外,超临界流体技术还可以保证产品中没有溶剂残留,并可利用其特性开发出传统溶剂难以或无法实现的技术。目前,这一技术已经在天然产物萃取分离、医药、材料、印染等领域得到了广泛应用,并在更多领域中具有应用前景。

最近20年中,还有一类很受重视的绿色溶剂,也就是离子液体。它们本身不挥发、易回收,还可以通过设计使其无毒无害,并具有特定功能。离子液体既能溶解有机物,又能溶解无机物,因此拥有广泛的应用前景。传统的分子溶剂依靠范德华力、氢键等与被溶解的物质发生作用,而离子液体除了这些作用外,还有静电作用。利用这些特性,可以开发出各种高效绿色的技术。比如说,许多化学反应对静电作用很敏感,离子液体可以提高和调控这些反应的效率,实现一些在传统溶剂中难以实现的反应和材料制备过程。再比如,对一些原本使用金属催化剂的反应,我们可以采用离子液体同时作为溶剂和催化剂,这就避免了金属催化剂的使用。

另外一个重要的绿色溶剂是水,我们可以考虑用水来替代有机溶剂。当然,水对于许多有机物的溶解能力有限,如何进一步有效利用这一绿色溶剂是一个重要课题。此外,一些液态的聚合物、具有特殊基团的生物质基溶剂等也可以作为绿色溶剂。现在还有一些开关式调控的溶剂,比如胺和二氧化碳作用可以转化为铵盐,而铵盐和胺的性质差别非常大,我们可以用二氧化碳作为一个开关,需要时加入二氧化碳,使反应物溶解,反应之后再去掉二氧化碳,方便产物分离。

 

NSR:化工生产都需要溶剂吗?是否可以开发一些不需要溶剂的体系?


韩布兴:溶剂不参与反应,使用后还需要回收,所以,如果能够不使用溶剂是最理想的。现在已经有很多无溶剂反应体系,无溶剂条件下的液-液、液-固、气-固、固-固反应都取得了很好的效果。

但是,无溶剂合成具有很大的局限性。目前,大约60%到70%的化学化工过程仍然需要溶剂。在反应过程中,溶剂可以强化传质、传热,使反应物之间有效接触,提高生产效率,防止局部过热。而且在很多情况下,利用溶剂与反应物、生成物的相互作用,可以有效调控反应路径,调控材料的形貌和尺寸等,从而实现许多无溶剂条件下无法实现的生产过程。

 

03 化学分支领域中的绿色化学

NSR:您最初的专业方向是物理化学,为什么会转向绿色化学的研究?


韩布兴:具体来讲,我最初的研究方向是化学热力学,现在则开展化学热力学与绿色化学的交叉研究。化学热力学是化学领域中非常重要的一个分支。而绿色化学是对传统化学思维方式的更新和发展,其中许多需要重新考虑和解决的重要问题,就是化学热力学的问题。因此,作为一个前沿领域,化学热力学与绿色化学的交叉研究,既可以拓宽化学热力学的研究范畴,也可以解决绿色化学中的关键难题。

 

NSR:除了化学热力学,其他化学分支学科中是否也存在绿色化学的问题?


韩布兴:当然。绿色化学是化学、化工、材料科学等多学科相互交叉渗透的领域。比如在催化领域,我们需要设计高性能,同时无毒、无害、稳定、易回收的催化剂。在制药等精细化工领域,我们投入很多原料,最终得到的却只有很少的产品,这其中造成的污染和浪费很严重。因此在这一领域中,需要获得原子经济性更好的反应,并优化合成方法和生产过程。此外,发展理论化学和计算化学也可以推动绿色化学的发展。比如,如果我们能够发展更有效的理论方法,预测、优化和筛选高效催化反应体系,将可以大大提高绿色化学的发展水平和发展速度。

 

04 绿色化学的挑战和未来

NSR:在将研究成果转化为工业应用的过程中,是否存在困难?


韩布兴:将研究成果转化为工业技术涉及很多难题。有一些企业找到我,向我介绍他们的情况,并且希望我能提供或推荐合适的绿色技术。大家都希望使自己企业的生产绿色化,达到国家要求。但是落实到实践中,马上就会遇到成本和效益等问题。一项技术,不管过程和产品多么绿色,如果在经济上没有竞争力,无法实现产业化,就不能称之为真正的绿色技术。因此,必须通过创新,解决相关科学和技术难题,开发高效绿色、经济合理的技术,才能真正推动绿色产业的发展。

 

NSR:绿色化学领域中的国际合作情况如何?


韩布兴:近年来,国际上开展了广泛的合作与交流。2001年国际纯粹与应用化学联合会成立了绿色化学分会,其他类似的绿色化学学术组织也纷纷成立、多个系列性国际学术会议定期召开,《绿色化学》(1999年创刊)等国际性专业期刊创刊,都大大推动了国际合作与交流的进行。在技术开发中,知识产权等问题仍会对国际合作产生一定的限制,但在国内外的大学、科研机构和企业间都已经开展了卓有成效的合作。

 

NSR:您对绿色化学的学科发展有哪些期望?


韩布兴:绿色化学是化学学科发展的必然趋势,是更高层次的化学。从科学的观点看,它是对传统化学思维方式的发展,是化学和化工科学基础内容的更新;从环境观点看,它是从源头上消除污染、与生态环境协调发展;从经济观点看,它要求合理地利用资源和能源,特别是可再生资源,降低生产成本;从社会观点看,它符合社会可持续发展的要求。

通过学术界、工业界和各国政府的努力,绿色化学得到长足发展,很多化工生产过程变得更加清洁,切实降低了污染,但还有很长的路要走。通过我们的努力,绿色化学一定会快速发展,化学工业一定会走上绿色可持续发展的道路,实现化学工业与生态环境协调发展。

 

05 中国的独特挑战

NSR:绿色化学在中国的发展情况如何?


韩布兴:我国在绿色化学方面起步较早,在绿色化学概念提出后不久就开始了相关研究。我国学术界、企业界和政府都对绿色化学领域非常关注。国家自然科学基金委、科技部、中科院等部门资助了很多相关项目。在基础研究、技术开发等方面,我国科学家都取得了不少重要成果,并已经催生了一批新兴产业。这些工作也得到了国际上的认可。

 

NSR:中国需要解决哪些独特的问题?


韩布兴:我一直认为,和其他国家相比,绿色化学对于中国来讲是格外重要的。作为一个拥有13亿多人口,并且仍在不断发展的大国,我们必需在本土生产我们所需要的大量化工产品,所以经济、资源、环境之间的矛盾格外突出。另一方面,与发达国家相比,我国技术相对落后,化工生产中的资源浪费和环境污染更加严重。因此,发展绿色化学与技术,优化产业结构,实现高效清洁生产对我国具有更加重要的意义。在资源和环境容量都非常有限的条件下,妥善解决经济、资源、环境之间的矛盾,是我们面临的重要挑战。

近年来,为了控制环境污染,国内关停了许多工厂,但是这并非长久之计。要实现经济发展,同时解决环境问题,必须依靠科技创新,发展绿色化学技术,推动绿色产业的发展。

 

NSR:最后,请您给青年研究人员提些建议。


韩布兴:绿色化学刚刚起步,未来必将在加速发展。发展绿色化学、实现化学工业可持续发展是一项长期而艰巨的任务,需要更多的年轻科研人员投身其中。在我心中,未来的化学一定会是环境友好的,可以让我们的生活和环境都更加美好。

对于有志从事绿色化学研究的年轻人,我认为他们应当具备的核心素质是创新。绿色化学就是要打破传统的观念和思路,去探索新的方法和技术。创新是绿色化学的灵魂。


内容来源:知识分子丨赵维杰

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