將原料「吃干榨凈」，這就是綠色化學？NSR專欄

韓步興，中國科學院院士，發展中國家科學院院士，發展中國家科學進步研究員，綠色化學領域的領軍人物之一。圖片由本人提供。

撰文 | 趙維傑

在可以預見的將來，人類還將繼續生活在太陽系中的這顆藍色行星，地球上。在這顆空間有限、資源有限、環境容量有限的星球上，人口還將增長，人們的生活質量也還將提高。在發展與環境的矛盾之中，如何保護地球生態與環境、實現可持續發展是人類面臨的挑戰。致力於將化學化工全產業鏈綠色化的學科「綠色化學」，已經並將繼續為此貢獻力量。

《國家科學評論》(NSR) 採訪了綠色化學領域的領軍人物之一，中科院化學所研究員韓布興院士。他從科學的角度介紹了綠色化學的實現路徑和發展方向，並對綠色化學領域面臨的一些重要問題進行了分析。

01

綠色化學

NSR：綠色化學的概念是怎樣提出的？它的目標是什麼？

韓：絕大多數人類製造的產品都涉及一個或多個化學過程。化學工業生產各種重要化學品、材料、能源產品，為人類的文明和社會進步做出了巨大貢獻。但同時不能否認的是，許多傳統化學化工過程伴隨著嚴重的資源浪費，並且對環境造成污染，包括大氣、土壤、水。如何使化學工業在創造物質財富的同時，保護人類賴以生存的環境，是人類面臨的重大挑戰。

在這樣的背景之下，上世紀90年代初美國學者提出了綠色化學的概念。隨後提出的綠色化學十二條原則，迄今已被綠色化學界普遍接受。簡單地講，綠色化學的定義可表述為：通過對產品和生產過程的設計，盡量減少或避免有害原料的使用和有害物質、廢棄物的產生。綠色化學的目標是從源頭上消除污染，提高效益、節約資源和能源、實現化學化工的可持續發展，對環境友好。

NSR：實現綠色化學目標的核心思路是怎樣的？

韓：綠色化學要對整個化學化工生產鏈都進行綠色化，使用無毒無害和可再生的綠色原料、綠色的溶劑、綠色的催化劑和助劑、原料利用率高的合成路線、綠色工藝與技術，來合成對環境友好的產品，並且要努力做到經濟上合理，降低生產成本。

概括來講，實現化工產業綠色化主要有兩條途徑。第一是採用原子經濟性反應，把原料中的每一個原子都變成產品，不產生副產品或廢棄物。但是，在許多化工生產過程中，副產品的產生是不可避免的，而這些副產品可能會污染環境。所以，綠色化學實現的第二條途徑就是，把一個生產過程的副產品變成另一個生產過程的原料，形成循環或者鏈條，也可以將原料「吃干榨凈」。總體來說，第二條途徑更具普適性。

NSR：綠色化學如何影響材料科學？

韓：化學和材料科學密不可分。綠色化學的重要內容之一就是採用綠色原料和技術，生產環境友好的高性能材料。

材料產業的多個環節都可能造成環境污染。首先，許多材料的生產過程會污染環境。其次，目前生產和使用的多種材料本身就含有害物質，直接危害人類健康。再次，有些材料會在使用後對環境有害。因此，材料本身和材料生產過程都需要綠色化。

目前人們對綠色化學與材料科學的交叉十分重視，正在不斷開發材料合成的綠色技術、生產使用綠色塗料、醫用材料、裝飾材料、高分子材料等。比如說，我們可以用水代替塗料中的有機溶劑，製成更加環保的水性塗料；可以用二氧化碳、生物質作為原料合成可降解、並具有特殊性能的聚合物材料；可以用纖維素等天然高分子製備生物質基聚合物材料等。這些新型材料的使用可以減輕人們對化石資源的依賴，並且能夠充分利用可再生資源的結構特點，得到許多傳統方法難以製備的含有特殊官能團的功能材料。對材料科學來說，實現材料設計、製備、使用、回收、循環利用全周期的綠色化是十分重要的。

02

綠色溶劑

NSR：您在綠色溶劑方面做了很多工作，溶劑對於化學反應的綠色化有怎樣的作用？

韓：全球每年有上千萬噸有機溶劑揮發到大氣中，既是浪費，也造成嚴重污染。綠色溶劑具備兩個主要特點：一是自身無毒無害；二是能夠有效提高化工生產效率、使產品分離過程更加簡單，並易於循環利用。

比如我研究的超臨界流體，包括超臨界二氧化碳等。它本身無毒無害，並且使用後只需要減壓就可以凈化回收，完成循環利用。此外，超臨界流體技術還可以保證產品中沒有溶劑殘留，並可利用其特性開發出傳統溶劑難以或無法實現的技術。目前，這一技術已經在天然產物萃取分離、醫藥、材料、印染等領域得到了廣泛應用，並在更多領域中具有應用前景。

最近20年中，還有一類很受重視的綠色溶劑，也就是離子液體。它們本身不揮發、易回收，還可以通過設計使其無毒無害，並具有特定功能。離子液體既能溶解有機物，又能溶解無機物，因此擁有廣泛的應用前景。傳統的分子溶劑依靠范德華力、氫鍵等與被溶解的物質發生作用，而離子液體除了這些作用外，還有靜電作用。利用這些特性，可以開發出各種高效綠色的技術。比如說，許多化學反應對靜電作用很敏感，離子液體可以提高和調控這些反應的效率，實現一些在傳統溶劑中難以實現的反應和材料製備過程。再比如，對一些原本使用金屬催化劑的反應，我們可以採用離子液體同時作為溶劑和催化劑，這就避免了金屬催化劑的使用。

另外一個重要的綠色溶劑是水，我們可以考慮用水來替代有機溶劑。當然，水對於許多有機物的溶解能力有限，如何進一步有效利用這一綠色溶劑是一個重要課題。此外，一些液態的聚合物、具有特殊基團的生物質基溶劑等也可以作為綠色溶劑。現在還有一些開關式調控的溶劑，比如胺和二氧化碳作用可以轉化為銨鹽，而銨鹽和胺的性質差別非常大，我們可以用二氧化碳作為一個開關，需要時加入二氧化碳，使反應物溶解，反應之後再去掉二氧化碳，方便產物分離。

NSR：化工生產都需要溶劑嗎？是否可以開發一些不需要溶劑的體系？

韓：溶劑不參與反應，使用後還需要回收，所以，如果能夠不使用溶劑是最理想的。現在已經有很多無溶劑反應體系，無溶劑條件下的液-液、液-固、氣-固、固-固反應都取得了很好的效果。

但是，無溶劑合成具有很大的局限性。目前，大約60%到70%的化學化工過程仍然需要溶劑。在反應過程中，溶劑可以強化傳質、傳熱，使反應物之間有效接觸，提高生產效率，防止局部過熱。而且在很多情況下，利用溶劑與反應物、生成物的相互作用，可以有效調控反應路徑，調控材料的形貌和尺寸等，從而實現許多無溶劑條件下無法實現的生產過程。

03

化學分支領域中的綠色化學

NSR：您最初的專業方向是物理化學，為什麼會轉向綠色化學的研究？

韓：具體來講，我最初的研究方向是化學熱力學，現在則開展化學熱力學與綠色化學的交叉研究。化學熱力學是化學領域中非常重要的一個分支。而綠色化學是對傳統化學思維方式的更新和發展，其中許多需要重新考慮和解決的重要問題，就是化學熱力學的問題。因此，作為一個前沿領域，化學熱力學與綠色化學的交叉研究，既可以拓寬化學熱力學的研究範疇，也可以解決綠色化學中的關鍵難題。

NSR：除了化學熱力學，其他化學分支學科中是否也存在綠色化學的問題？

韓：當然。綠色化學是化學、化工、材料科學等多學科相互交叉滲透的領域。比如在催化領域，我們需要設計高性能，同時無毒、無害、穩定、易回收的催化劑。在製藥等精細化工領域，我們投入很多原料，最終得到的卻只有很少的產品，這其中造成的污染和浪費很嚴重。因此在這一領域中，需要獲得原子經濟性更好的反應，並優化合成方法和生產過程。此外，發展理論化學和計算化學也可以推動綠色化學的發展。比如，如果我們能夠發展更有效的理論方法，預測、優化和篩選高效催化反應體系，將可以大大提高綠色化學的發展水平和發展速度。

04

綠色化學的挑戰與未來

NSR：在將研究成果轉化為工業應用的過程中，是否存在困難？

韓：將研究成果轉化為工業技術涉及很多難題。有一些企業找到我，向我介紹他們的情況，並且希望我能提供或推薦合適的綠色技術。大家都希望使自己企業的生產綠色化，達到國家要求。但是落實到實踐中，馬上就會遇到成本和效益等問題。一項技術，不管過程和產品多麼綠色，如果在經濟上沒有競爭力，無法實現產業化，就不能稱之為真正的綠色技術。因此，必須通過創新，解決相關科學和技術難題，開發高效綠色、經濟合理的技術，才能真正推動綠色產業的發展。

NSR：綠色化學領域中的國際合作情況如何？

韓：近年來，國際上開展了廣泛的合作與交流。2001年國際純粹與應用化學聯合會成立了綠色化學分會，其他類似的綠色化學學術組織也紛紛成立、多個系列性國際學術會議定期召開，《綠色化學》（1999年創刊）等國際性專業期刊創刊，都大大推動了國際合作與交流的進行。在技術開發中，知識產權等問題仍會對國際合作產生一定的限制，但在國內外的大學、科研機構和企業間都已經開展了卓有成效的合作。

NSR：您對綠色化學的學科發展有哪些期望？

韓：綠色化學是化學學科發展的必然趨勢，是更高層次的化學。從科學的觀點看，它是對傳統化學思維方式的發展，是化學和化工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、與生態環境協調發展；從經濟觀點看，它要求合理地利用資源和能源，特別是可再生資源，降低生產成本；從社會觀點看，它符合社會可持續發展的要求。

通過學術界、工業界和各國政府的努力，綠色化學得到長足發展，很多化工生產過程變得更加清潔，切實降低了污染，但還有很長的路要走。通過我們的努力，綠色化學一定會快速發展，化學工業一定會走上綠色可持續發展的道路，實現化學工業與生態環境協調發展。

05

中國的獨特挑戰

NSR：綠色化學在中國的發展情況如何？

韓：我國在綠色化學方面起步較早，在綠色化學概念提出後不久就開始了相關研究。我國學術界、企業界和政府都對綠色化學領域非常關注。國家自然科學基金委、科技部、中科院等部門資助了很多相關項目。在基礎研究、技術開發等方面，我國科學家都取得了不少重要成果，並已經催生了一批新興產業。這些工作也得到了國際上的認可。

NSR：中國需要解決哪些獨特的問題？

韓：我一直認為，和其他國家相比，綠色化學對於中國來講是格外重要的。作為一個擁有13億多人口，並且仍在不斷發展的大國，我們必需在本土生產我們所需要的大量化工產品，所以經濟、資源、環境之間的矛盾格外突出。另一方面，與發達國家相比，我國技術相對落後，化工生產中的資源浪費和環境污染更加嚴重。因此，發展綠色化學與技術，優化產業結構，實現高效清潔生產對我國具有更加重要的意義。在資源和環境容量都非常有限的條件下，妥善解決經濟、資源、環境之間的矛盾，是我們面臨的重要挑戰。

近年來，為了控制環境污染，國內關停了許多工廠，但是這並非長久之計。要實現經濟發展，同時解決環境問題，必須依靠科技創新，發展綠色化學技術，推動綠色產業的發展。

NSR：最後，請您給青年研究人員提些建議。

韓：綠色化學剛剛起步，未來必將在加速發展。發展綠色化學、實現化學工業可持續發展是一項長期而艱巨的任務，需要更多的年輕科研人員投身其中。在我心中，未來的化學一定會是環境友好的，可以讓我們的生活和環境都更加美好。

對於有志從事綠色化學研究的年輕人，我認為他們應當具備的核心素質是創新。綠色化學就是要打破傳統的觀念和思路，去探索新的方法和技術。創新是綠色化學的靈魂。

最後應該說明的是，綠色化學處於起步階段，其內涵、原理、內容和目標等都將不斷充實和完善。這一簡短的採訪無法對綠色化學進行系統介紹。特別是，上面提到的觀點可能存在片面性或錯誤，請大家批評指正。讓我們共同努力，推動綠色化學的發展。

版權聲明

本文英文原文於2018年4月16日在線發表於《國家科學評論》（National Science Review, NSR），原標題為「 Make the chemical industry clean with green chemistry: an interview with Buxing Han 」。NSR是科學出版社旗下期刊，與牛津大學出版社聯合出版。《知識分子》獲NSR和牛津大學出版社授權刊發該文中文翻譯。

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