撰文 | 赵维杰

 

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。

 

韩步兴，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。

 

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：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：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：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：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：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：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：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 绿色化学的挑战与未来

 

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：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：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：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：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：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：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。

 

最后应该说明的是，绿色化学处于起步阶段，其内涵、原理、内容和目标等都将不断充实和完善。这一简短的采访无法对绿色化学进行系统介绍。特别是，上面提到的观点可能存在片面性或错误，请大家批评指正。让我们共同努力，推动绿色化学的发展。

 

版权声明

本文英文原文于2018年4月16日在线发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR ），原标题为“ Make the chemical industry clean with green chemistry: an interview with Buxing Han ”。NSR是科学出版社旗下期刊，与牛津大学出版社联合出版。《知识分子》获NSR和牛津大学出版社授权刊发该文中文翻译。

 

▼▼▼点击“阅读原文”，与知识分子一起悦读2019。