閱讀資料　環境化學和綠色化學

（一）大氣污染與環境化學

環境問題是當前世界面臨的重大問題之一。酸雨、全球氣候變暖與臭氧層的破壞是當前困擾世界的三個全球性大氣污染問題。環境化學主要研究有害化學物質在環境介質中的存在、化學特性、行為和效應及其控制的化學原理和方法。

干燥清潔空氣的組成在地球表面的各處幾乎是一致的，可以看成大氣中自然不變的組成，或稱為大氣的本底值，見表2-2。有了這個組成就可以容易地判定大氣中的外來污染物。

近半個多世紀以來，隨著工業和交通運輸的迅速發展，人類向大氣中大量排放煙塵、有害氣體、金屬氧化物等，使某些物質的濃度超過它們的本底值，并對人及動植物等產生有害的效應，這就是大氣污染。人為排放的大氣污染物中，量多且危害較大的主要有顆粒物質、硫氧化物、氮氧化物、CO和烴類化合物（或簡寫為HC）和氟利昂等。

限制污染的具體技術的選擇要根據污染物的種類、污染物生成的過程以及所要求的潔凈程度而定。比如，可以通過煙氣脫硫、燃料預先脫硫和燃燒過程中脫硫等方式實現對硫的控制。再如，控制汽車尾氣有害物排放的方法，可以用機內凈化（改進發動機使污染物產生量減少），也可以用機外凈化（在發動機外對排出的廢氣進行凈化治理）。機內凈化是解決問題的根本途徑，是重點研究的方向。機外凈化的主要方法，從化學上看就是催化凈化法，其關鍵是尋找耐高溫的高效催化劑，最理想的方法是利用三效催化尾氣轉化器，同時完成CO、HC的氧化和還原反應。主要反應可表示為：

當前Pt、Pd、Ru催化劑（CeO2為助催化劑，耐高溫陶瓷為載體）可使尾氣中有害物質轉化率超過90％。

臭氧是大氣中的一種自然微量成分（見表2-1），臭氧層存在于平流層中，主要分布在距地面15～35km范圍內，濃度峰值在25km處附近，最高濃度為10mL。若把O3集中起來并矯正到標準狀態，其氣層厚度也不足0.45cm。就是這個臭氧層能吸收99％以上來自太陽的紫外線，保護了人類和生物免遭紫外輻射的傷害。

不幸的是，現在人類排入大氣的某些物質與臭氧發生作用，導致了臭氧的損耗，引起了臭氧層空洞。這些物質主要有CFC、哈龍等。氟利昂CFC中主要是CFC-11和CFC-12，化學式分別是CFCl3和CF2Cl2；哈龍中主要有哈龍-1301、1211、2402。

美國羅蘭（Rowland）于1974年首先提出氟利昂等物質破壞大氣平流層中臭氧層的理論。由于氟利昂很穩定，在低層大氣中可長期存在（壽命約為幾十年甚至上百年），還未來得及分解即穿過對流層進入平流層（包括哈龍等），在短波紫外線的作用下分解成Cl、Br、HO等活潑自由基，可作為催化劑引起鏈反應，促使臭氧分解。導致臭氧層破壞的氯催化反應過程可表示為：

其中O2也是光解（）的產物。反應中催化活性物種Cl本身不變。反應中一個氯原子能破壞10萬個分子，而溴原子破壞臭氧層的能力比氯原子還要強。

氯原子主要來自氟利昂的光分解，溴原子來自哈龍的光分解（在平流層較強紫外線作用下），例如：

大氣中臭氧層的損耗，主要是由消耗臭氧的物質引起，因此必須對這些物質的生產及消費量加以限制。

（二）清潔生產和綠色化學

若能從廢棄物的末端處理改變為生產全過程的控制，這是符合可持續發展方向的一個戰略性轉變。清潔生產、綠色化學等就是這樣的先進科學技術。

清潔生產通常是指在產品生產過程和預期消費中，既合理利用自然資源，把對人類和環境的危害減至最小，又能充分滿足人類需要，使社會經濟效益最大化的一種生產模式。清潔生產的環境經濟效益遠遠超過工業污染末端控制。

綠色化學是一種以保護環境為目標來設計、生產化學產品的一門新興學科，是一門從源頭上阻止污染的化學。它用化學的技術和方法減少或消滅那些對人類健康、安全、生態環境有害的原料、催化劑、溶劑和試劑、產物、副產物等的產生和使用。綠色化學為傳統化學工業帶來革命性的變化，化學家不僅要研究化學產品生產的可行性，還要設計符合綠色化學要求、不產生或減少污染的化學過程。這給化學發展和化學家帶來了重大機遇和挑戰，1996年美國設立了“總統綠色化學挑戰獎”。

近年來，開發新的“原子經濟性”反應已成為綠色化學研究的熱點之一。理想的原子經濟性反應是原料分子中的原子100％地轉變為產物，不產生副產物或廢物，實現廢物的零排放。例如，重要的有機合成中間體環氧乙烷的生產，從經典的氯醇（二次制備）法改為銀催化乙烯直接氧化（一步）法，原子利用率從25％提高到100％，理論上沒有廢物產生。

（1）經典氯醇法

原子利用率=44/173×100％=25％

（2）現代直接氧化法

原子利用率=100％

目前環境工程領域中的清潔生產是改變以往的三廢末端處理為對生產全過程控制、提高原子利用率、實行少排廢甚至零排放的符合可持續發展戰略的先進科學技術，環境的治理和保護同樣重要，從小事做起，保護我們的環境，就是保護我們生存的空間。