我國綠色化工未來發(fā)展戰(zhàn)略與思考

1、我國綠色化工未來發(fā)展戰(zhàn)略與思考    進入21世紀(jì)后，社會的可持續(xù)發(fā)展涉及生態(tài)、環(huán)境、資源、經(jīng)濟等方面的問題，越來越受到人們的關(guān)注。我國的基本國情是人口眾多，自然資源短缺，生態(tài)環(huán)境脆弱，污染日趨嚴重，戰(zhàn)略資源供需矛盾日益尖銳，資源環(huán)境與就業(yè)壓力加大，經(jīng)濟社會發(fā)展和安全面臨新的挑戰(zhàn)。在這些多重制約因素條件下，要全面建設(shè)惠及十幾億人口的小康社會，必須樹立科學(xué)的發(fā)展觀，實現(xiàn)人與自然的協(xié)調(diào)發(fā)展，經(jīng)濟社會全面協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。   1我國化工業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)及戰(zhàn)略要求   我國的化學(xué)工業(yè)在國民經(jīng)濟發(fā)展中占有舉足輕重的地位，它不

2、僅提供基礎(chǔ)化工原料和三大合成材料，同時又生產(chǎn)著小批量、多品種、高附加值的精細化學(xué)品，與人民生活息息相關(guān)。目前，化學(xué)工業(yè)主要存在的問題是一些產(chǎn)品的生產(chǎn)技術(shù)路線落后，相當(dāng)一部分化工產(chǎn)品的生產(chǎn)仍采用高能耗、原料消耗高、高污染的合成路線，缺乏自主開發(fā)的核心技術(shù)，大部分產(chǎn)品的生產(chǎn)和裝備技術(shù)長期落后于發(fā)達國家，并帶來了在環(huán)境和資源方面的諸多問題。除了這些遺留問題外，化工業(yè)還面臨著可持續(xù)發(fā)展新的挑戰(zhàn)。   1.1新農(nóng)藥創(chuàng)制的方向   農(nóng)藥是人類獲得糧食，確保農(nóng)業(yè)穩(wěn)產(chǎn)、豐產(chǎn)不可缺少的生產(chǎn)資料。近百年來，農(nóng)藥(如殺蟲劑、殺菌劑、除草劑等)為人類做出了巨大的貢獻。近年來，隨

3、著世界人口的不斷增長，人類對糧食的需要也在不斷增加。但是，耕地增長的速度遠遠跟不上人口增長的速度，要解決這個世界性難題，必須依靠提高單位面積的糧食產(chǎn)量和改善作物品質(zhì)，這就必須采用各種手段，如育種、栽培、施肥等，而農(nóng)藥的應(yīng)用也是其中必不可少的手段之一。應(yīng)該看到的是，農(nóng)藥在為人類文明做出巨大貢獻的同時，由于認識方面的局限性，高毒、高殘留的農(nóng)藥也給人類賴以生存的環(huán)境帶來了負面影響。隨著社會的進步和文明的提高，開發(fā)高效、低毒、易降解、安全性和環(huán)境相容性好的綠色農(nóng)藥，以取代那些低效、高毒、高殘留及抗性高的傳統(tǒng)農(nóng)藥已成為當(dāng)今新農(nóng)藥創(chuàng)制的方向。   1.2染料生產(chǎn)清潔化  &#

4、160;染料是紡織工業(yè)的重要基礎(chǔ)原料，我國是紡織品生產(chǎn)大國，因此也是染料的消費大國。另外，在我國精細化學(xué)品的出口中，染料和染料中間體也占有很大比例。根據(jù)化工統(tǒng)計的材料情況顯示，我國每年硝基芳烴類中間體的產(chǎn)量超過百萬噸，與其直接相關(guān)的化工產(chǎn)品的產(chǎn)值達數(shù)百億元。因此，硝化過程在我國化學(xué)工業(yè)中處于非?；A(chǔ)和重要的地位，有的企業(yè)在當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展中起著舉足輕重的作用。染料中間體的生產(chǎn)所涉及的主要工藝過程，包括硝化以及硝基的還原等重污染過程，因為硝化過程通常需要混酸(硝酸濃硫酸混合物)，硝基還原需要鐵粉或硫化鈉等還原劑，不可避免地帶來嚴重的環(huán)境污染問題，特別是這些中間體中的相當(dāng)一部分已經(jīng)轉(zhuǎn)移至我國南部水資源

5、豐富地區(qū)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和私有企業(yè)生產(chǎn)，更形成了“農(nóng)村包圍城市”的重污染源。同時，越來越多外國公司將生產(chǎn)過程污染嚴重的硝化產(chǎn)品轉(zhuǎn)移至我國生產(chǎn)，如BASF、Bayer、Hochest等公司生產(chǎn)染料的中間體許多購自國內(nèi)企業(yè)。研究和開發(fā)新的清潔硝化和還原技術(shù)，是解決這些傳統(tǒng)工藝中重污染的關(guān)鍵所在。   1.3二氧化碳減排與資源化   二氧化碳排放產(chǎn)生的溫室效應(yīng)已為全球所關(guān)注，在化石燃料使用過程中二氧化碳的減排、埋藏和資源化利用技術(shù)已成為國際研究和開發(fā)的重點。經(jīng)濟的高速發(fā)展已導(dǎo)致我國每年需要處理的二氧化碳總量超過10億t。鑒于我國未來經(jīng)濟仍處于高速發(fā)展趨勢，必須在提高能源

6、利用效率的同時，實施二氧化碳的減排和資源化利用。C02本身是一種寶貴的碳、氧資源，它在地球的儲量比天然氣、石油和煤的總和還多數(shù)倍，美國、歐洲、日本等發(fā)達國家都有一系列的研究機構(gòu)在從事這方面的研究工作，我國也開展了相類似方面的基礎(chǔ)性和應(yīng)用性研究，但投入的人力和物力與該課題的戰(zhàn)略地位還很不相稱。尤其是在日益注重環(huán)境保護的今天，研究和開發(fā)利用CO2作為高分子及有機合成的基本原料已成為各國政府部門和許多研究者特別重視的研究領(lǐng)域。   1.4提高戰(zhàn)略資源利用率   在戰(zhàn)略金屬資源方面，我國具有豐富的鋁土、稀土、釩鈦等特色礦產(chǎn)資源。這些戰(zhàn)略金屬被廣泛應(yīng)用于航空航天、

7、交通運輸、民用建筑、電力、電子等各部門，在國民經(jīng)濟和國防建設(shè)中具有不可替代的作用。當(dāng)前，我國工業(yè)化的高速發(fā)展階段正處于資源消耗的高峰期，而人均優(yōu)質(zhì)自然礦產(chǎn)資源又是相對緊缺，而且優(yōu)質(zhì)品位礦產(chǎn)較少。更主要的問題是已有資源加工利用技術(shù)仍多是幾十年前就形成的傳統(tǒng)工藝，生產(chǎn)消耗指數(shù)高，資源利用率低。在技術(shù)條件限制下，大量未被充分利用的資源變成廢棄物排放到環(huán)境，造成效益低下和嚴重的環(huán)境污染。   由此可見，解決化工生產(chǎn)過程中的污染和資源利用問題，是實現(xiàn)我國化工生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵所在，也是實現(xiàn)人與自然的協(xié)調(diào)發(fā)展乃至經(jīng)濟社會全面協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一，也是我國的重要戰(zhàn)略需求。 &#

8、160; 2中國科學(xué)院綠色化工的基礎(chǔ)與優(yōu)勢   從總體上講，中國科學(xué)院與化學(xué)有關(guān)的一些研究所都安排有一些與綠色化學(xué)和清潔化工工藝有關(guān)的研究方向，這些研究方向的部署主要是結(jié)合國家戰(zhàn)略需求，屬于資源、環(huán)境或新材料發(fā)展領(lǐng)域。其優(yōu)勢在于基礎(chǔ)研究方面具有前沿性和先進性，有些方面達到國際先進水平；由于學(xué)科多，參與的人員也較多，因此有一只實力很強的研究隊伍，特別是有幾個基礎(chǔ)很好的國家重點實驗室和院重點實驗室以及工程研究中心，都將綠色化學(xué)和清潔化工作為重要研究方向。一些優(yōu)勢研究工作基礎(chǔ)包括以下幾個方面。   2.1鉻化工清潔生產(chǎn)技術(shù)   在

9、國內(nèi)外首次開拓的亞熔鹽清潔工藝處理一水硬鋁石難處理礦和多種兩性金屬資源，可大幅度減少設(shè)備操作費用，降低能耗，提高資源利用率，并從源頭解決廢渣的污染問題。原創(chuàng)性成果進入產(chǎn)業(yè)化示范階段，成為國家、行業(yè)確認的清潔生產(chǎn)替代技術(shù)，獲得學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的認同。在其它重要戰(zhàn)略金屬如稀土、銅等的萃取和清潔冶煉研究方面，完成了“包頭稀土資源清潔冶金流程”的實驗室研究，并與包鋼稀土高科在包頭共同完成了處理能力2400ta稀土精礦的工業(yè)規(guī)模示范工程，新型戰(zhàn)略金屬銅萃取劑已經(jīng)實現(xiàn)(年處理量)百噸級規(guī)模生產(chǎn)，替代進口產(chǎn)品。   2.2C1化學(xué)   在C1化學(xué)和C02利用方面有較強的

10、應(yīng)用基礎(chǔ)研究與工程實力，開始開展了可生物降解的二氧化碳共聚物的合成及加工研究，與企業(yè)合作建成了3000ta二氧化碳基塑料的生產(chǎn)線，這是世界上規(guī)模最大的二氧化碳基塑料的生產(chǎn)線；先后開展了利用CO2以及尿素醇解合合成有機化工品的催化劑和關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)，積累了一定的知識和經(jīng)驗，鍛煉和培養(yǎng)了一批中青年科研骨干，具備了開展C02利用清潔生產(chǎn)工藝路線的研究工作基礎(chǔ)。   2.3新農(nóng)藥創(chuàng)制   在新農(nóng)藥創(chuàng)制研究方面發(fā)現(xiàn)了一類具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)和高效除草活性的農(nóng)藥先導(dǎo)化合物2嘧啶氧基-N-芳基芐胺類衍生物。通過對先導(dǎo)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，成功開發(fā)了兩個新型高效油菜田除草劑丙酯草

11、醚和異丙酯草醚，成為我國為數(shù)不多的、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的農(nóng)藥新品種。除此之外，在科技部最近啟動的“973”項目“綠色化學(xué)農(nóng)藥先導(dǎo)結(jié)構(gòu)及作用靶標(biāo)的發(fā)現(xiàn)與研究”中，我院相關(guān)研究所承擔(dān)了一定的研究工作，作為一個整體已成為了我國新農(nóng)藥創(chuàng)制研究中的一支新生力量。   2.4 Lewis酸催化體系的應(yīng)用   在非硫酸催化硝化、雙氧水催化氧化、催化氫化還原研究方面，運用我國豐產(chǎn)元素稀土金屬Lewis酸實現(xiàn)了非硫酸催化的硝化反應(yīng)，催化劑的用量與反應(yīng)物的摩爾比為2：10000；運用負載的稀土金屬Lewis酸催化劑，使得非硫酸硝化反應(yīng)的催化效率更高，而且催化劑通過簡單地過濾可

12、以回收再使用。發(fā)展的新型催化劑在二苯甲酮的氫化還原中，催化劑用量可以降至1100000。這些清潔催化技術(shù)已經(jīng)接近或達到實用化程度，對于解決染料和藥物合成工業(yè)中的重污染問題將產(chǎn)生重要影響。   2.5空氣為氧化劑的選擇性氧化和羰基化   在運用空氣作為清潔氧化劑進行選擇性氧化和羰基活化研究方面，積累了比較豐富的經(jīng)驗，取得了一些有應(yīng)用前景的成果，如利用空氣將醇選擇性氧化為醛或酮的方法、外消旋醇的選擇性氧化動力學(xué)拆分、以丁二烯氣相直接環(huán)氧化制備乙烯基環(huán)氧乙烷、利用一氧化碳為羰基化試劑和芳香硝基化合物為原料通過氧化還原羰基化一步合成氨基甲酸酯等方法，都有很好的應(yīng)

13、用前景。   2.6醫(yī)藥研究   在手性藥物的化學(xué)與生物學(xué)研究方面合成了黃皮酰胺、丁基苯肽，以及羥甲芬太尼、異硫氰基羥甲芬太尼等化合物的所有光學(xué)異構(gòu)體，找到了其中起主要作用的光學(xué)異構(gòu)體，對它們分別進行了促智、抗細胞凋亡、抗老年癡呆、抗血栓形成、鎮(zhèn)痛作用的強度、持續(xù)性和成癮性等多方面生物學(xué)研究并有若干重要發(fā)現(xiàn)，為進一步推動我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的手性藥物研發(fā)積累了經(jīng)驗。在不對稱催化、手性元方法、包結(jié)拆分和組合拆分及酶催化等方法的研究，獲得了數(shù)個具有優(yōu)良不對稱誘導(dǎo)效果的手性配體和催化劑，發(fā)展了若干具有良好應(yīng)用前景的潛在手性藥物及其中間體的合成方法，在一些不對稱

14、催化反應(yīng)研究中得到國際上迄今為止最好的結(jié)果，對于推動我國在手性技術(shù)與手性藥物的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究起到了重要作用。   2.7其他   另外，中國科學(xué)院在整體催化劑、微反應(yīng)器、化工過程的計算機仿真及微觀過程的模擬研究方面具有較堅實的基礎(chǔ)，這些工作都為開展化工清潔新工藝的研究與開發(fā)奠定了良好的基礎(chǔ)。   2.8存在問題   目前，存在的問題主要包括：一方面，基礎(chǔ)研究方面的工作偏多，應(yīng)用基礎(chǔ)和應(yīng)用研究方面的工作相對較少，基礎(chǔ)研究成果向?qū)嵱没芯亢图夹g(shù)轉(zhuǎn)化能力薄弱，研究手段特別是工程技術(shù)平臺相對落后，難于促進成果產(chǎn)業(yè)化，應(yīng)

15、加強知識創(chuàng)新與技術(shù)創(chuàng)新的有機銜接，推動和加快工程化研究平臺建設(shè)。其次，我國科研設(shè)計高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化工程實施的銜接機制尚不健全，產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新體系需進一步完善，從而形成以企業(yè)為主體，產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的技術(shù)創(chuàng)新體系，加快推進我國自主創(chuàng)新成果的產(chǎn)業(yè)化進程。   3結(jié)合國家戰(zhàn)略需求、戰(zhàn)略重點的部署   綠色清潔化工生產(chǎn)已經(jīng)成為未來化工發(fā)展的必然趨勢，也是實現(xiàn)資源、環(huán)境、經(jīng)濟、社會全面協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。結(jié)合國家戰(zhàn)略需求，在綠色化工清潔生產(chǎn)技術(shù)方面，重點開展以鋁、鈮、鉭等兩性金屬礦物資源高效清潔生產(chǎn)過程研究開發(fā)，建立相應(yīng)綠色化工冶煉過程技術(shù)平臺，在若干重要化工過程實現(xiàn)

16、工業(yè)示范應(yīng)用。針對重污染精細化工過程，開展新型催化劑、反應(yīng)介質(zhì)、反應(yīng)物質(zhì)以及工藝過程研究，改造傳統(tǒng)技術(shù)流程，提高資源利用率，實現(xiàn)污染的源頭治理。開發(fā)CO2固定、可降解聚合物等環(huán)境友好的化工產(chǎn)品。根據(jù)國家戰(zhàn)略需求以及中國科學(xué)院的戰(zhàn)略規(guī)劃，在以下幾個方面針對應(yīng)用開發(fā)做重點部署。   3.1C02的綜合利用研究   面向國家可持續(xù)發(fā)展的市場需求和未來環(huán)境的需求，利用C02作為新的碳、氧資源，重點開展C02固定、可降解聚合物以及有機材料等環(huán)境友好的化工產(chǎn)品合成工藝的關(guān)鍵技術(shù)和催化劑的研究，建立CO2綜合利用的研究平臺，為我國以CO2為原料合成綠色化工產(chǎn)品的工業(yè)化

17、提供技術(shù)支撐。   3.2重要戰(zhàn)略金屬清潔冶煉新工藝與過程研究   重點開展以鋁鈮鉭稀土釩鈦鎳等戰(zhàn)略金屬為代表的礦物資源高效清潔生產(chǎn)新工藝和過程研究開發(fā)，建立非常規(guī)綠色過程平臺技術(shù)，并實現(xiàn)工業(yè)示范應(yīng)用，以推進重污染傳統(tǒng)行業(yè)的清潔生產(chǎn)和技術(shù)提升。通過綠色過程工程基礎(chǔ)科學(xué)問題的原始創(chuàng)新研究和集成技術(shù)的突破，建立不可再生礦物資源高效清潔循環(huán)利用的綠色過程理論體系和非常規(guī)介質(zhì)綠色化工過程與清潔工藝共性技術(shù)平臺，建成產(chǎn)業(yè)化示范工程，最終實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。   3.3綠色化學(xué)農(nóng)藥的創(chuàng)制研究   建立面向綠色新農(nóng)藥創(chuàng)制的篩選平臺

18、，充分發(fā)揮中科院化學(xué)口研究所的潛力，對多年來“沉淀”的大量新化合物進行隨機生物活性篩選，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的農(nóng)藥先導(dǎo)化合物，使二三個具有明確應(yīng)用對象和開發(fā)前景的新化合物進入新農(nóng)藥品種的開發(fā)。   3.4清潔硝化和還原工藝的研究   開展清潔硝化和還原技術(shù)的研究，針對一些污染問題嚴重的重要染料中間體如紅色基RG、紅色基G等的關(guān)鍵生產(chǎn)過程，開展清潔新工藝的研究、開發(fā)與工業(yè)化應(yīng)用，減少或消除傳統(tǒng)硝化與硝基還原工藝中存在的重污染問題，為我國染料合成化學(xué)工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支撐，為傳統(tǒng)硝化和硝基還原生產(chǎn)工藝的清潔化生產(chǎn)提供示范。   3.

19、5清潔催化氧化新技術(shù)的研發(fā)   以應(yīng)用范圍廣、附加值高的一些有機精細化學(xué)品的選擇性氧化合成為導(dǎo)向，如丁二烯氣相直接環(huán)氧化過程、甾體藥物中間體的選擇性氧化合成等，開展以空氣、氧氣或雙氧水為清潔氧化劑的選擇性氧化新工藝研究，發(fā)展以空氣、氧氣或雙氧水為氧化劑的清潔催化氧化的新體系與新工藝，以解決傳統(tǒng)工藝中的重污染問題，并帶動以此為基礎(chǔ)的系列精細化學(xué)品和藥物合成的清潔化生產(chǎn)新工藝的應(yīng)用。   3.6環(huán)境友好手性催化技術(shù)   開展包括化學(xué)催化和生物催化在內(nèi)的環(huán)境友好手性催化技術(shù)的研究與開發(fā)，結(jié)合一些重要手性藥物關(guān)鍵中間體的生產(chǎn)，減少或消除一些重要藥物中間體生產(chǎn)過程中的重污染