精細化工行業(yè)的清潔生產與可再生原料的利用
上世紀80 年代以來,世界各國的科技進步、生 產力提高和經濟發(fā)展,給人類社會的物質生活和精 神生活帶來了巨大的改觀。與此同時,隨著工業(yè)化 的高速發(fā)展,進入自然生態(tài)環(huán)境的廢物和污染物越 來越多,超出了自然界自身的消化吸收能力,破壞全 球生態(tài)環(huán)境的平衡,也造成了自然資源的嚴重短缺 和生態(tài)環(huán)境的日趨惡化。為此,聯(lián)合國環(huán)境署理事 會于1989 年5 月做出關于環(huán)境無害技術的決定。 1990 年10 月在英國坎特伯雷清潔生產研討會上, 聯(lián)合國環(huán)境署工業(yè)與環(huán)境規(guī)劃活動中心(UNEP/ PAC) 推出了清潔生產計劃。1992 年6 月在里約熱 內盧聯(lián)合國環(huán)發(fā)大會上,清潔生產被正式確認為可 持續(xù)發(fā)展的先決條件,被視為工業(yè)界達到環(huán)境改善 同時保持競爭性及可盈利性的核心手段之一,并被 列入其行動綱領《21 世紀議程》。
在聯(lián)合國環(huán)境與發(fā)展會議之后,我國政府編制 了《中國21 世紀議程》,規(guī)定了我國可持續(xù)發(fā)展的整 體目標,制定了實施持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略步驟,是指導我 國環(huán)境工作的指南。1993 年10 月召開的第二次全 國工業(yè)污染防治會議上,對我國工業(yè)污染防治提出 了由末端治理轉向生產全過程控制、推行清潔生產 的戰(zhàn)略方針。10 年來通過實施清潔生產審核和生 產工藝技術改造,主要污染物排放量已經平均削減 20 %以上。我國已經加入WTO ,環(huán)境保護正在成 為國際貿易和投資的重要條件之一。走清潔生產的 可持續(xù)發(fā)展道路,已經成為我們的必然選擇。2002 年,全國人大通過《中華人民共和國清潔生產促進 法》。該法的實施標志著清潔生產有了施行的法律 依據(jù),從法律角度上真正實現(xiàn)了經濟效益和環(huán)境保 護的統(tǒng)一。
2 什么是清潔生產
清潔生產(Cleaner production) 這一概念最早是 由聯(lián)合國環(huán)境署工業(yè)與環(huán)境規(guī)劃活動中心提出的, 用以表征從產品生產到產品使用全過程的廣泛的污 染防治途徑。其定義如下:“清潔生產是指將綜合預 防的環(huán)境策略持續(xù)應用于生產過程和產品中,以便 減少對人類和環(huán)境的風險性”;“對生產過程而言,清 潔生產包括節(jié)約原料和能源,淘汰有毒原材料并在 全部排放物和廢物離開生產過程以前減少它們的數(shù) 量和毒性”;“對產品而言,清潔生產策略旨在減少產 品的整個生產周期過程中,從原料的提取到產品的 最終處置對人類和環(huán)境的影響”。從上述定義可以 看出,清潔生產涉及了兩個全過程控制:生產全過程 控制和產品整個生命周期控制。
總之,清潔生產是通過產品設計、原料選擇、工 藝改革、生產管理和生產過程、產物內部循環(huán)利用等 環(huán)節(jié)的科學化和合理化,使工業(yè)生產最終產生的污 染物達到最少的工業(yè)生產方法和管理思路。它體了 工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展與環(huán)境保護的協(xié)調一致。
3 化工行業(yè)的清潔生產
化學工業(yè)是一個多行業(yè)、多品種的工業(yè)部門,包括基本化工原料、化學肥料、農藥等20 多種部門,生 產品種在5 萬種以上；ば袠I(yè)對我國工農業(yè)生產 的發(fā)展具有重要的作用。但由于化工產品種類繁 多,而且中小型企業(yè)占大多數(shù),長期以來采用高消 耗、低效益、粗放型的生產模式,使我國化工行業(yè)對 環(huán)境造成了嚴重的污染。我國的化工行業(yè)的廢水、 廢氣、廢渣的排放量分別占全國排放總量的20 %～ 23 %、5 %～7 %和8 %～10 %。
針對化學工業(yè)對環(huán)境造成的嚴重污染,在推行 清潔生產的基礎上,人們又提出“綠色化學”( Green Chemist ry) 的概念。綠色化學,即用化學的技術和 方法去減少或消滅那些對人類健康、生態(tài)環(huán)境有害 的原料、催化劑、溶劑、試劑、產物、副產物等的使用 和產生。綠色化學與清潔生產一樣要求把現(xiàn)有化工 生產技術路線從“先污染,后治理”改為“從源頭上根 除污染”。綠色化學的理想是采用“原子經濟” (Atom Economy) ,即原料中每一個原子都進入產 品,不產生任何廢物。綠色化學的內容包括以下幾 個方面:原料的綠色化,選擇無毒、無害的原料;化學 反應綠色化,目標是實現(xiàn)“原子經濟”反應;反應介質 的綠色化,采用無毒、無害的催化劑和溶劑;產品綠 色化,生產出對環(huán)境友好的產品。綠色化學其實就 是清潔生產圍繞化工行業(yè)而提出的。因此,從根本 上治理化學工業(yè)造成的環(huán)境污染的必由之路就是大 力發(fā)展綠色化學。
4 精細化工行業(yè)的清潔生產
精細化工行業(yè)范圍較廣,品種繁多,包括染料、 農藥、制藥和日用化工等約40 多個行業(yè),在化學工 業(yè)中占有很大的比重。由于精細化工產品具有投資 效率高、附加值高、利潤大、應用范圍廣等諸多特點, 所以加速發(fā)展精細化工已成為世界性的趨勢。但精 細化工產品的生產過程中排出的物質大多是結構復 雜、有毒、有害和難以生物降解的物質,帶來了嚴重 的環(huán)境污染。因此,精細化工行業(yè)污染物的控制和 治理已成為化工行業(yè)污染控制的重中之重。
除了在生產過程中產生大量的廢物之外,一些 精細化學品本身具有毒性,在使用過程中或使用后 對環(huán)境有危害;有的精細化學品難以生物降解,使用 后流入環(huán)境中,在環(huán)境中的生命周期很長,是一種不 能忽視的污染。例如:洗滌劑中的表面活性劑,人們 為了片面的追求去污效果而增加親油基團的碳鏈的 長度,使其在使用后流入到江、河、湖泊中,長期不能 被生物降解,使水體受到污染。
如何使精細化工行業(yè)持續(xù)發(fā)展而不給環(huán)境帶來 危害,已成為國內外關注的焦點。但是,目前精細化 工行業(yè)使用的工藝技術和產品,多數(shù)都是四五十年 代研究開發(fā)的,其工藝存在著不同程度的缺陷。到 目前為止,世界各國對精細化工的研究投入的三分 之一要用于控制和處理生產過程中產生的“三廢”。 有許多精細化學品的生產就是因為“三廢”污染的問 題無法解決,只能停產。有些精細化工企業(yè)因為“三 廢”排放不能達到環(huán)保標準而每年面臨巨額的罰款, 給企業(yè)帶來巨大的經濟損失。
隨著環(huán)保法規(guī)的日益嚴格,投入的環(huán)境污染治 理費用也將急劇增加。只是對污染進行末端治理是 很難達到預期效果的,如不對現(xiàn)有的精細化工技術 和產品進行大的變革,將不會從根本上實現(xiàn)行業(yè)污 染的控制。革新現(xiàn)有技術和產品的最好的方法就是 大力研究和開發(fā)從源頭根除環(huán)境污染的清潔技術。 針對精細化工行業(yè)的污染特點,人們運用清潔 生產的原則,提出了“綠色精細化工”的概念,認為精 細化學品工業(yè)必須朝著低污染甚至無污染的“綠色” 方向發(fā)展。其主要內容包括:
4. 1 單元反應的綠色化
最常用的精細化工工藝一般都是由若干個典型 的精細化學反應單元組合而成,如磺化反應、氫化反 應、鹵化反應等。這些反應一般都不可避免地產生 “三廢”。要使這些單元反應綠色化,目前最好的辦 法是選擇高效的催化劑和無害的溶劑,并進行工藝 條件的優(yōu)化選擇。例如:碳氫化合物的氧化反應廣 泛應用于醫(yī)藥中間體等精細化學品的生產,但傳統(tǒng) 的生產是采用重鉻酸鹽、高錳酸鹽等作為氧化劑,反 應得到1 kg 產物將產生5～100 kg 的重金屬鹽副產 物。采用新型TS - 1 沸石( TS - 1 Zeolite) 催化劑不 但解決了大量有毒副產物的產生問題,而且增加了 生產過程的安全性,減少了催化劑使用過程中的毒 性。
4. 2 產品的綠色化
精細化工產品的綠色化與人類健康及生態(tài)環(huán)境 有著密切的關系。但在傳統(tǒng)的精細化工產品的設計 中只重視了產品功能的設計,而忽視了其對環(huán)境及 人類的危害。所以設計精細化學品時應該考慮是否 符合綠色化學品的兩個特征: ①產品本身必須不會 引起環(huán)境污染或健康問題,不會對人、動物或植物造 成損害; ②產品使用后,應該能再循環(huán)或易于在環(huán)境 中降解為無害物質。傳統(tǒng)的化學農藥,人們只注重 它的殺生效果,并不注重其對環(huán)境是否友好。有些農藥在使用中只有0. 1 %擊中靶標害蟲,99. 9 %都 污染了環(huán)境或是殺死了其他益蟲,所以要達到除蟲 的目的需要大量的施用。然而大量使用農藥勢必污 染土壤和水體,還會在生物體內積累,進入食物鏈對 人類構成危害,所以必須設計出取代原有農藥的新 型農藥。DOW 化學公司發(fā)明了一種高選擇性對環(huán) 境友好的殺蟲劑———Spionsoad。這種農藥作用快, 選擇性高,只對靶蟲起作用而不影響益蟲,對哺乳動 物毒性很低,在環(huán)境中不積累,不揮發(fā)。施用這種農 藥可以大大減小對環(huán)境的危害。
4. 3 原料的綠色化
以前多數(shù)精細化工原料來自生物體,后來煤和 石油成了主要的化工原料,今天95 %以上的有機化 學品來自石油。但是地球上的煤和石油儲量是有限 的,世界已探明的石油可采儲量為2500 ×109 t ,已 采出l150 ×109 t ,剩余1400 ×109 t 。根據(jù)目前世界 需求的增長趨勢,石油只能在今后35～40 a 中可保 持較高的供應水平。按目前的開采速度,我國石油 資源將在約23 a 內枯竭。石油資源是不可再生資 源,儲量有限,地區(qū)分布極不平衡。所以精細化工行 業(yè)所用的來自石油化工或煤化工產品不但消耗了大 量不可再生的原料,而且這些原料很多有很大的毒 性,在生產和使用過程中對環(huán)境造成很大的危害。
世界各國都在尋找代替石油資源的途徑和方 法,研發(fā)替代原料以減少廢物排放。目前化學工業(yè) 廣泛采用將前一個工藝過程中產生的廢物,用做下 一個工藝過程的原料,但根本的解決辦法是從源頭 抓起,改變原料來源。放棄使用現(xiàn)在普遍采用的、日 漸枯竭的石油原料,改用可重復使用的物質或生物 資源？稍偕Y源的研究與開發(fā)之所以引起國際上 的重視,主要是由于這些資源具有既可收獲又能再 生、永不枯竭的特點,還具有生物可降解特性,與石 油化工原料相比,具有污染小、符合環(huán)境保護及人身 安全等優(yōu)點。因而20 世紀80 年代以來,可再生資 源的研究成果及其在眾多領域的應用十分令人矚 目。海灣戰(zhàn)爭之后,世界各國更意識到利用天然資 源的必要性和緊迫性。不少國家,如美、日、德、法等 國,為此而采取許多優(yōu)惠政策和扶持措施,促進可再 生資源新材料的開發(fā)與應用。美國目前有機化學品 中10 %源于可再生資源,并計劃在2020 年和2090 年分別達到25 %和90 %。
可再生資源與不可再生資源的差別歸結為形成 時間,不可再生資源如石油,需要幾百萬年的時間來 形成,而且需要當時獨特地質條件,因此一旦用完就 不可能再生。而可再生資源通常指動物、植物為基 礎的原料,消耗后在一定時間范圍內可以產生,準確 說是指在人類的生存周期的時間范圍內容易再生的 物質,例如木質素、纖維素等都可稱為可再生資源。 利用可再生資源替代不可再生資源作為精細化 工的原料固然有很多優(yōu)點,但在使用可再生原料的 同時,人們也發(fā)現(xiàn)了很多的問題。為了獲得可再生 原料,仍然需要消耗大量的不可再生的原料,甚至對 環(huán)境造成更大的污染。從天然原料制取有機化工中 間體或其它精細化學品多采用濃酸或濃堿去處理, 對環(huán)境污染也相當嚴重。例如被稱為殼聚糖的甲殼 胺,是一種用途較多的生物多糖,已成為當前發(fā)展的 熱點。但其制備一般都是用蝦殼、蟹殼通過強堿處 理,其制備過程本身就容易造成環(huán)境污染,工藝也比 較復雜、價格又較高,還受地域和時間的影響。另 外,很多人提倡用生物體作為生產化學品的原料來 代替石油,但這是個相當復雜的過程,例如主要的生 物體資源木質素,含有豐富的纖維素,可以用來生產 葡萄糖等化工原料。但是,由于纖維素是晶體很難 水解,需要采用“爆破”技術來進行加工,在這個過程 中木質素材料要通過高壓蒸汽,然后突然減壓,這個 過程需要很大的能量,要消耗很多的能源,如此復雜 的工藝使其加工成本大大提高,而且此過程會有很 多廢棄物排放。又如用植物油脂制造肥皂、表面活 性劑時,這些植物的生長、收獲、加工,都需要投入不 可再生資源,如農藥、化肥等,有時消耗能量和其他 原料量更大。用天然植物油脂棕櫚油為原料制備表 面活性劑乙烷磺酸甲脂(MES) 能耗為41～46 GJ / t , 而以石油為原料生產的陰離子表面活性劑LAS 只 需要29 GJ / t ,而前者的三廢排放量也高。另外,在 制造1000 只塑料袋(不可再生資源) 需32 kg 石油, 每制造1000 只紙袋(可再生資源) 卻需要47 kg 石 油。
另一方面,人們傾向于使用生物產品替代工業(yè) 產品作為原料,不僅對環(huán)境并不一定是友好的,而且 從經濟角度出發(fā),生物原料的使用也有其局限性。 局限性之一是供應的季節(jié)性問題。生物原料,其收 獲和季節(jié)的關系很密切,或因干旱或作物生長失敗 等因素會造成經濟上的顧慮。這類原料的提供不僅 需要時間,不能連續(xù)供應,而且不穩(wěn)定因素多,從而 造成生產的停頓;另外,收獲的原料需要大面積的堆 場或庫房妥善的保管,浪費大量的人力、物力和財 力。局限性之二是如果用農業(yè)產品代替工業(yè)產品作 原料需要使用大量的土地。傳統(tǒng)作物既需要土地、又需要能量,使本來已經很緊張的糧食耕地面積更 加緊張,所以使用生物原料有不切實際的一面。另 外,人們?yōu)榱双@得大量的生物原料,采用了基因工 程、分子遺傳學等現(xiàn)代生物高科技技術,對生物物種 進行改良,希望達到預期的目的。但是從生物安全 的角度出發(fā),這種方法存在著潛在的危害。許多人 擔心,通過基因工程培育的新品種一旦離開實驗室 進入大自然,其行為可能表現(xiàn)出不確定性,甚至難以 控制,可能導致另一種生態(tài)災難。
因此,在石油化工技術已經相當成熟的今天,盡 管其對環(huán)境污染負有責任,但因其在經濟上的重要 作用,所以還將繼續(xù)得到發(fā)展。不能籠統(tǒng)地說利用 可再生資源對環(huán)境造成的影響肯定比利用不可再生 資源小。使用什么資源作為精細化工原料,要考慮 其對環(huán)境的影響,但不能只看其某一方面對環(huán)境的 影響,需要運用清潔生產和綠色化學的原則綜合考 慮,這樣才能做到真正的清潔生產。因此,我們應該 建立一套完整的清潔生產及綠色化學的客觀的、完 整的評價體系。
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