第10章绿色化学化工过程的评估本章初步论述化学化工过程绿色化的评估方法，如何正确评估化学化工过程的“绿色性”，开发高效的绿色技术，这是实现可持续发展的一个具有重要意义的理论课题。

但是迄今为止还没有形成一个统一的评判标准。

主要内容：10.1绿色化学评估的基本准则10.1.1绿色化学的12条原则10.1.2绿色化学的12条附加原则10.1.3绿色化学工程技术的12条原则10.2生命周期评估10.2.1生命周期评估的含义10.2.2生命周期评估的步骤10.2.3生命周期评估的用途10.3绿色化学化工过程的评估量度10.3.1化学反应过程的绿色化10.3.2化学化工过程绿色化的评价指标10.3.3绿色化学化工过程的评估实施复习思考题参考文献10.1绿色化学评估的基本准则10.1.1绿色化学的12条原则绿色化学的目地就是利用化学原理和新化工技术从源头上预防污染物的产生，而不是污染物产生后的末端治理。

为此，AnastasPT和WarnerJC提出了著名的绿色化学12条原则，作为开发绿色化学品和工艺过程指导。

10.1.2绿色化学的12条附加原则为补充AnastasPT和WarnerJC的绿色化学原则，利物浦大学的确良Winterton N 提出了绿色化学的12条附加原则，以帮助、指导化学化工科技工作者进一步深入开发和完善实验室的研究成果，评估每一个工艺过程的相对“绿色性”。

10.1.3绿色化学工程技术的12条原则（1）设计者要尽可能保证所有输入和输出的能量和材料是无毒、无害的。

（2）预防废物的生产比废物产生以后进行处理为好。

（3）产品分离和纯化操作应尽量减少能量和材料的消耗。

（4）设计的产品、工艺及其整个系统要使质量、能量、空间和时间效率最大化。

（5）设计的产品、工艺及所有系统应该是输出的“牵引”，而不是靠输入物质和能量的“推动”。

（6）当设计选择再生产、循环利用和其他有益的处理时，应对内在的复杂性有充分的研究和认识。

（7）设计方案的目标产物要强调耐久性，而不是永久性。

（8）设计方案应着重于满足需要，使过量最小化。

（9）减少复杂组成品中材料的多样性，尽量保存原料的价值。

（10）设计中应综合考虑可用原料和能源的相关情况，加强当地物质流和能量流的整合。

（11）产品、工艺及其所有系统的设计应考虑它们的使用功能结束后勤的处理和利用。

（12）设计中采用的材料和能源应是可再生的。

鉴于化学工程科学在实现化学工业绿色化中的实际运用，2003年在佛里达洲Sandestin 召开的绿色化学工程技术会议上，进一步进出了绿色化学工程技术的9条附加原则。

（1）产品和工程设计要采用系统分析方法，应将环境影响评价工具视为工程的重要组成部分。

（2）当设计保护人类健康和社会福利时要考虑如何保护和改善生态系统。

（3）在所在生命工程中要有“生命周期”的思想。

（4）要确保所有输入和输出的材料与能源是安全和环境友好的。

（5）尽可能减少自然资源的消耗。

（6）尽量避免产生废弃物。

（7）所开发和实施的工程解决方案应符合当地的实际情况和要求，要得到当地地理和文化的认同。

（8）对工艺的改进革新和发明要符合“可持续发展”的原则。

（9）要使社会团体和资本占有者积极参与工程解决方案的设计和开发。

10.2生命周期评估10.2.1生命周期评估的含义生命周期评估（life cycle assessment,LAC）是20世纪70年代发展起来的评估某一产品的一种方法。

按国际标准化组织（ISO）定义，“生命周期评估是对一个产品系统的生命周期中输入、输出及其潜在的环境影响的综合评估”，需要考虑的环境影响信息包括资源利用、人体健康和生态后果。

例如，化学品生产的生命周期评估的基本概况如图10-1所示：图10-1 化学品生产的生命周期评估LCA 主要应用在通过确定和定量化研究物质和能量的利用，以及废弃物的环境排放来评估某一产品造成的环境负载、能源材料的利用和废弃物排放的影响 ，以扩环境改善的方法。

LCA 能从更广的时间尺度上对产品的全生命周期的环境影响进行全面定量的评估，因此LCA 是绿色化学评估的重要方法之一，也是国外广泛使用的一种工业生态设计和工具。

10.2.2生命周期评估的步骤LCA 是通过收集相关资料和数据，应用科学计算的方法，从资源消耗，人类健康和生态环境影响方面对产品等的环境影响作出定性定量的评估，并寻求改善产品等环境性能的机会矣途径。

根据ISO14040标准，将LCA 的实施过程分为四个步履：目标和范围确定；清单分析；影响评估；结果解释。

它们的关系如图10-2所示。

1.目标和范围确定将生命周期评估研究的目标和范围清楚地予以确定，使其与预期的应用相一致。

2.清单分析编制一份与研究的产品的产品系统相关的投入和产出清单，以便量化一个产品系统内外的投入与产出关系，这些投入与产出包括资源的使用，以及对空气、水体和土壤的污染排放等。

3.影响评估应用清单分析的结果对产品生命周期各个价段涉及的所有潜在的重大的环境影响进行评估。

一般来说，将清单数据和具体的环境影响相联系，并认识这些影响的实质，评估时应当考虑对人体健康、生态系统及其他方面的影响。

4.结果解释将清单分析及影响评估所发现的与研究目的有关的结果综合考虑，形成结论性意见，并提出减少环境不良影响的改进措施。

这是LCA的最终目标，其结果将作为LCA研究委托方和决策依据。

10.2.3生命周期评估的用途生命周期评估主要是为了找出最适宜的预防污染技术，尽可能减少环境的污染，保护生态系统；同时支持合理开发和利用资源、节约不可再生的资源和能源，最大限度地进行原料和废物的循环利用的目的，实现经济、社会的可持续发展。

因此，生命周期评估主要应用在以下几个方面。

(1)对化学产品及其“从摇篮到坟墓”的全过程所涉及折环境问题进行量化和评估，故常作为评估化学产品或工业过程“绿色化”的管理工具。

(2)为产业界、政府机构和非政府组织的决策提供支持。

(3)确立环境影响评价指标，包括产品和工程的环境评价指标、产品环境标志的评价和认定等。

(4)确定市场经济营销战略。

环境标志是一种产品和证明性商标，它表明该产品不仅质量合格，而且在生产、使用和处理处置过程中符合环境保护要求，与同类产品相比，具有安全低毒、节约资源等优势，有利于打破绿色贸易壁垒，促进商品的外贸出口。

10.3绿色化学化工过程的评估量度要判断一个化学过程是否是绿色的，首先应从人类健康安全方面考虑，考察其是否使用和产生有毒、有害的物质；其次要从生态环境保护方面来考虑，考察其是否向周围环境排放破坏生态系统的污染物；同时还需要从经济发展的角度进行考虑，核算产品的质量密度、能量密度、原料资源利用的合理性，以及整体的经济等。

因此，绿色化学评估是一个非常复杂的系统工程。

10.3.1化学反应过程的绿色化绿色化学的核心就是要运用化学原理和方法，开发能减少或消除有害物质的使用与产生的环境友好的化学品及其技术的过程，从源头上预防污染，从根本上班实现化学工业的“绿色化”。

绿色化学过程包括原料的绿色化、化学反应和成技术的绿色化、工程技术的绿色化，以及产品的绿色化等，如图10-3所示。

图10-3 绿色化学过程示意图1.原料的绿色化(1)尽可能采用无毒、无害的原料。

(2)尽可能利用可再生资源为原料。

(3)物质循环和原子经济利用。

2.化反应和合成技术的绿色化(1)尽可能不用或少用有毒、有害的溶剂和助剂，或采用环境友好珠溶剂和助剂。

(2)发展高选择性、高效的新型催化剂和催化技术，以简化工艺操作，提高反应的原子经济性。

(3)优化反应途径，发展绿色合成，加强绿色技术的耦合，以提高资源和能源的利用率。

(4)改革式艺过程和操作，实施清洁生产式艺，这是现行精细化工企业实现“绿色化”、提高合成经济效益和社会效益的一个关键举措。

3.工程技术的绿色化(1)发展生物工程技术、膜技术等新型反应工程技术。

(2)开发微化工技术。

(3)强化化工技术的耦合。

(4)强化物质流程、能量流程、信息流程等优化集成。

4.产品的绿色化绿色化的产品是指安全的化学品，又称绿色化学品。

通常认为绿色化学品是通过采用先进技术获得的，能够在整个生命周期内安全、经济、可靠地满足用户要求的使用功能和性能，同时能耗最小，资源利用最优且符合当代国际公认环保标准的产品。

绿色化学品评价系统由产品的基本属性、环境属性、资源属性、能源属性和经济属性等指标构成。

10.3.2化学化工过程绿色化的评价指标1.原子经济性1991年美国著名有机化学家Trost 提出了原子经济性（AE ）的概念，他以原子利用率衡量反应的原子经济性：AE=（目标产物的相对分子量／反应物质的相对分子量总和）×100%对于一般的合成反应： A+B →C对于复杂的化学反应:I但是，用原子经济性来考察化工反应过程过于简化，它没有考察产物收率、过量反应物、试剂的使用、溶剂的损失，以及能量的消耗等，单纯用原子经济作为化工反应过程“绿色化”的评价指标还不够全面，应和其他评价指标结合才能作出科学的判断。

2.环境因子和环境系数环境因子（E）是荷兰有机化学教授Sheldon R A 在1992年提出的一个量度标准，定义为每出产品1kg产物所产生的废物的质量。

E =废弃物总量（kg）/产物量（kg）由上式可见，E越大意味着废弃物越多，对环境的负面影响越大，因此E为零是最理想的。

Sheldon根据E的大小对化工行业进行划分（10-1）：表达10-1 不同化工行业的E比较由于化学反应和过程操作复杂多样，E必须从实际生产过程中所获得的数据求出，因为E 不仅与反应有关，与其它单元操作有关。

因此，E实应等于E理与各项E i（i=1，…,7）的加和。

E实=E理+E1+E2+E3+E4+E5+E6+E7在缺乏E1～E7等实验时，可用原子经济性或质量强度计算E理。

严格来说，E只考虑废物的量而不是质，它还不是真正评价环境影响的合理指标。

因此Sheldon R A将E乘以一个对环境不友好因子Q得到一个参数，称为环境系数，即：环境系数=E×Q规定低毒无机物的Q=1，而重金属盐、一些有机中间体和含氟化合物等的Q为100～1000，具体视其毒性LD50值而定。

1.质量强度为了较全面地评价有机合成及其反应过程的绿色性，有人提出了反应的质量强度（MI）概念。

其可表示为：质量强度（MI）=在反应或过程中所消耗的物质的总质量（kg）/产物的质量（kg）由质量强度的定义，可以得出其与E的关系：E=MI-11）质量产率质量产率（mass productivity,MP）为质量强度倒数的百分数即：2）反应质量效率反应质量效率（reaction mass effictiency,RME）是指反应物转变为产物的百分数，可表示为：3）碳原子效率【例】10.81g(0.1mol)苯醇(Mr=108.1)和21.9g(0.115 mol)对甲苯磺酰氯(Mr=190.65)在500g甲苯和15g三乙胺的混合溶剂中反应，得到23.6g(0.09 mol)磺酸酯(Mr=262.29)，产率为90%。