第一節 綠色化學原理的實踐
綠色化學原理的實踐內容

現代化學工業的發展必須注重經濟、社會和環境三者之間的平衡。實施綠色化學原理保護環境的同時,不能忽略經濟和社會的需求。

綠色化學原理的實踐主要包括以下四個方面的內容。

  • 合理使用可再生資源;
  • 減少能源消耗,提高能源效率;
  • 減少產品對環境造成的影響;
  • 提高原子經濟百分比。

利用可再生資源製造供料

傳統的化學工業生產大多以石油為主要供料,以至於許多化學產品的成本受到石油價格的影響。減少化學工業生產對石油化學產品的依賴,使用可再生資源代替石油,有助於促進工業發展的可持續性,這也是綠色化學的一項重要原理。

生產商通過下面的流程從玉米生產出聚合物,進而製造人們需要的衣物、裝飾品以及其它生活用品。在生產過程中有兩項操作應用了綠色化學原理:

  1. 使用可再生資源(玉米)作為供料;
  2. 通過發酵作用,在低溫和酶催化的條件下生產丙\(-1\),\(3-\)二醇。
從玉米生產纖維布料的流程

右側動畫中,展示了一個化學產品「從資源採購到循環再生」所經歷的一個生命週期。

要減少產品對環境造成的影響,就要考慮產品生命週期中的各個階段。下面列舉了一些市場上常用的措施,供同學們參考。

  • 避免過度開採,優先選擇可再生資源;
  • 工廠選擇在原料開採地附近,避免長途運輸;
  • 生產過程中,選擇適當的催化劑,減少能源消耗;
  • 簡化產品包裝,避免過度包裝消耗資源;
  • 使用濃縮產品(例如濃縮柔順劑),減少包裝和運輸成本;
  • 注意產品的回收再造,減少垃圾產生。
化學產品的一個生命週期

煤、石油和天然氣是常用的化石燃料,為工業生產提供能量。然而,這些化石燃料的使用對環境造成很大的影響。因此,應盡量減少化石燃料的使用。

除了尋找替代品以外,提高能源效率和減少燃料消耗也是解決問題的有效方法。

工業生產過程中,可採用以下方法提高能源效率:

  1. 降低能量損失:防止水蒸汽洩漏;安裝有效的絕熱體。
  2. 利用化學反應產生的熱,供其它化學過程使用。

根據綠色化學原理,節約能源的根本方法是降低能源需求。主要方案就是研發適當的催化劑,尤其是生物催化劑,使反應能夠在較溫和的環境下進行,從而減少對能源的需求。

甲胺可與酯發生化學反應,生成酰胺和醇。如下所示,丙酸甲酯或丙酸乙酯都可與甲胺反應,生成 N-甲基丙酰胺。

\[\text{C}{{\text{H}}_{\text{3}}}\text{C}{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{COOC}{{\text{H}}_{\text{3}}}\left( \text{l} \right)\ \text{+}\ \text{C}{{\text{H}}_{\text{3}}}\text{N}{{\text{H}}_{\text{2}}}\left( \text{g} \right)\ \to \color{red}{\text{C}{{\text{H}}_{\text{3}}}\text{C}{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{CONHC}{{\text{H}}_{\text{3}}}\left( \text{l} \right)}\ \text{+}\ \text{C}{{\text{H}}_{\text{3}}}\text{OH}\left( \text{l} \right)\]

\[\text{C}{{\text{H}}_{\text{3}}}\text{C}{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{COOC}{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{C}{{\text{H}}_{3}}\left( \text{l} \right)\ \text{+}\ \text{C}{{\text{H}}_{\text{3}}}\text{N}{{\text{H}}_{\text{2}}}\left( \text{g} \right)\ \to \color{red}{\text{C}{{\text{H}}_{\text{3}}}\text{C}{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{CONHC}{{\text{H}}_{\text{3}}}\left( \text{l} \right)}\ \text{+}\ \text{C}{{\text{H}}_{\text{3}}}\text{C}{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{OH}\left( \text{l} \right)\]

由於兩條反應式中的副產物(醇)不同,因此,兩者的原子經濟百分比並不相同。

原子經濟百分比是指所需的生成物的相對分子質量或式量,與反應物的總相對分子質量或式量的百分比。

\[\text{原子經濟百分比}\ =\ \frac{\text{所需的生成物的相對分子質量或式量}}{\text{反應物的總相對分子質量或式量}}\ \times \ 100 \%\]

試比較兩條反應式中,酰胺中原子數佔反應物中總原子數的百分比。根據以下題目的指引完成相關計算,並從中了解原子經濟百分比的概念 (相對分子質量或式量:\(\text{C}{{\text{H}}_{\text{3}}}\text{N}{{\text{H}}_{\text{2}}}=31.0\),\(\text{C}{{\text{H}}_{\text{3}}}\text{C}{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{COOC}{{\text{H}}_{3}}=88.0\), \(\text{C}{{\text{H}}_{\text{3}}}\text{C}{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{COOC}{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{C}{{\text{H}}_{3}}=102.0\), \(\text{C}{{\text{H}}_{\text{3}}}\text{C}{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{CONHC}{{\text{H}}_{\text{3}}}=87.0\);答案保留至小數點後第一位數字)。

  • 若以丙酸甲酯為原料,
    1. 生成物的相對分子質量或式量為  
    2. 反應物的總相對分子質量或式量為  
    3. 該反應的原子經濟百分比為  
  • 若以丙酸乙酯為原料,
    1. 生成物的相對分子質量或式量為  
    2. 反應物的總相對分子質量或式量為  
    3. 該反應的原子經濟百分比為  
  • 根據計算結果可知:以
    • 丙酸甲酯
    • 丙酸乙酯
    為原料,更符合原子經濟。 

結論:

在合成化學物質時,不但要考慮轉化率和產率,同時更要重視原子經濟百分比。提高原子經濟百分比是減少廢物的主要措施。

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