精细化工行业的清洁生产与可再生原料的利用
上世纪80 年代以来,世界各国的科技进步、生 产力提高和经济发展,给人类社会的物质生活和精 神生活带来了巨大的改观。与此同时,随着工业化 的高速发展,进入自然生态环境的废物和污染物越 来越多,超出了自然界自身的消化吸收能力,破坏全 球生态环境的平衡,也造成了自然资源的严重短缺 和生态环境的日趋恶化。为此,联合国环境署理事 会于1989 年5 月做出关于环境无害技术的决定。 1990 年10 月在英国坎特伯雷清洁生产研讨会上, 联合国环境署工业与环境规划活动中心(UNEP/ PAC) 推出了清洁生产计划。1992 年6 月在里约热 内卢联合国环发大会上,清洁生产被正式确认为可 持续发展的先决条件,被视为工业界达到环境改善 同时保持竞争性及可盈利性的核心手段之一,并被 列入其行动纲领《21 世纪议程》。
在联合国环境与发展会议之后,我国政府编制 了《中国21 世纪议程》,规定了我国可持续发展的整 体目标,制定了实施持续发展的战略步骤,是指导我 国环境工作的指南。1993 年10 月召开的第二次全 国工业污染防治会议上,对我国工业污染防治提出 了由末端治理转向生产全过程控制、推行清洁生产 的战略方针。10 年来通过实施清洁生产审核和生 产工艺技术改造,主要污染物排放量已经平均削减 20 %以上。我国已经加入WTO ,环境保护正在成 为国际贸易和投资的重要条件之一。走清洁生产的 可持续发展道路,已经成为我们的必然选择。2002 年,全国人大通过《中华人民共和国清洁生产促进 法》。该法的实施标志着清洁生产有了施行的法律 依据,从法律角度上真正实现了经济效益和环境保 护的统一。
2 什么是清洁生产
清洁生产(Cleaner production) 这一概念最早是 由联合国环境署工业与环境规划活动中心提出的, 用以表征从产品生产到产品使用全过程的广泛的污 染防治途径。其定义如下:“清洁生产是指将综合预 防的环境策略持续应用于生产过程和产品中,以便 减少对人类和环境的风险性”;“对生产过程而言,清 洁生产包括节约原料和能源,淘汰有毒原材料并在 全部排放物和废物离开生产过程以前减少它们的数 量和毒性”;“对产品而言,清洁生产策略旨在减少产 品的整个生产周期过程中,从原料的提取到产品的 最终处置对人类和环境的影响”。从上述定义可以 看出,清洁生产涉及了两个全过程控制:生产全过程 控制和产品整个生命周期控制。
总之,清洁生产是通过产品设计、原料选择、工 艺改革、生产管理和生产过程、产物内部循环利用等 环节的科学化和合理化,使工业生产最终产生的污 染物达到最少的工业生产方法和管理思路。它体了 工业的可持续发展与环境保护的协调一致。
3 化工行业的清洁生产
化学工业是一个多行业、多品种的工业部门,包括基本化工原料、化学肥料、农药等20 多种部门,生 产品种在5 万种以上。化工行业对我国工农业生产 的发展具有重要的作用。但由于化工产品种类繁 多,而且中小型企业占大多数,长期以来采用高消 耗、低效益、粗放型的生产模式,使我国化工行业对 环境造成了严重的污染。我国的化工行业的废水、 废气、废渣的排放量分别占全国排放总量的20 %～ 23 %、5 %～7 %和8 %～10 %。
针对化学工业对环境造成的严重污染,在推行 清洁生产的基础上,人们又提出“绿色化学”( Green Chemist ry) 的概念。绿色化学,即用化学的技术和 方法去减少或消灭那些对人类健康、生态环境有害 的原料、催化剂、溶剂、试剂、产物、副产物等的使用 和产生。绿色化学与清洁生产一样要求把现有化工 生产技术路线从“先污染,后治理”改为“从源头上根 除污染”。绿色化学的理想是采用“原子经济” (Atom Economy) ,即原料中每一个原子都进入产 品,不产生任何废物。绿色化学的内容包括以下几 个方面:原料的绿色化,选择无毒、无害的原料;化学 反应绿色化,目标是实现“原子经济”反应;反应介质 的绿色化,采用无毒、无害的催化剂和溶剂;产品绿 色化,生产出对环境友好的产品。绿色化学其实就 是清洁生产围绕化工行业而提出的。因此,从根本 上治理化学工业造成的环境污染的必由之路就是大 力发展绿色化学。
4 精细化工行业的清洁生产
精细化工行业范围较广,品种繁多,包括染料、 农药、制药和日用化工等约40 多个行业,在化学工 业中占有很大的比重。由于精细化工产品具有投资 效率高、附加值高、利润大、应用范围广等诸多特点, 所以加速发展精细化工已成为世界性的趋势。但精 细化工产品的生产过程中排出的物质大多是结构复 杂、有毒、有害和难以生物降解的物质,带来了严重 的环境污染。因此,精细化工行业污染物的控制和 治理已成为化工行业污染控制的重中之重。
除了在生产过程中产生大量的废物之外,一些 精细化学品本身具有毒性,在使用过程中或使用后 对环境有危害;有的精细化学品难以生物降解,使用 后流入环境中,在环境中的生命周期很长,是一种不 能忽视的污染。例如:洗涤剂中的表面活性剂,人们 为了片面的追求去污效果而增加亲油基团的碳链的 长度,使其在使用后流入到江、河、湖泊中,长期不能 被生物降解,使水体受到污染。
如何使精细化工行业持续发展而不给环境带来 危害,已成为国内外关注的焦点。但是,目前精细化 工行业使用的工艺技术和产品,多数都是四五十年 代研究开发的,其工艺存在着不同程度的缺陷。到 目前为止,世界各国对精细化工的研究投入的三分 之一要用于控制和处理生产过程中产生的“三废”。 有许多精细化学品的生产就是因为“三废”污染的问 题无法解决,只能停产。有些精细化工企业因为“三 废”排放不能达到环保标准而每年面临巨额的罚款, 给企业带来巨大的经济损失。
随着环保法规的日益严格,投入的环境污染治 理费用也将急剧增加。只是对污染进行末端治理是 很难达到预期效果的,如不对现有的精细化工技术 和产品进行大的变革,将不会从根本上实现行业污 染的控制。革新现有技术和产品的最好的方法就是 大力研究和开发从源头根除环境污染的清洁技术。 针对精细化工行业的污染特点,人们运用清洁 生产的原则,提出了“绿色精细化工”的概念,认为精 细化学品工业必须朝着低污染甚至无污染的“绿色” 方向发展。其主要内容包括:
4. 1 单元反应的绿色化
最常用的精细化工工艺一般都是由若干个典型 的精细化学反应单元组合而成,如磺化反应、氢化反 应、卤化反应等。这些反应一般都不可避免地产生 “三废”。要使这些单元反应绿色化,目前最好的办 法是选择高效的催化剂和无害的溶剂,并进行工艺 条件的优化选择。例如:碳氢化合物的氧化反应广 泛应用于医药中间体等精细化学品的生产,但传统 的生产是采用重铬酸盐、高锰酸盐等作为氧化剂,反 应得到1 kg 产物将产生5～100 kg 的重金属盐副产 物。采用新型TS - 1 沸石( TS - 1 Zeolite) 催化剂不 但解决了大量有毒副产物的产生问题,而且增加了 生产过程的安全性,减少了催化剂使用过程中的毒 性。
4. 2 产品的绿色化
精细化工产品的绿色化与人类健康及生态环境 有着密切的关系。但在传统的精细化工产品的设计 中只重视了产品功能的设计,而忽视了其对环境及 人类的危害。所以设计精细化学品时应该考虑是否 符合绿色化学品的两个特征: ①产品本身必须不会 引起环境污染或健康问题,不会对人、动物或植物造 成损害; ②产品使用后,应该能再循环或易于在环境 中降解为无害物质。传统的化学农药,人们只注重 它的杀生效果,并不注重其对环境是否友好。有些农药在使用中只有0. 1 %击中靶标害虫,99. 9 %都 污染了环境或是杀死了其他益虫,所以要达到除虫 的目的需要大量的施用。然而大量使用农药势必污 染土壤和水体,还会在生物体内积累,进入食物链对 人类构成危害,所以必须设计出取代原有农药的新 型农药。DOW 化学公司发明了一种高选择性对环 境友好的杀虫剂———Spionsoad。这种农药作用快, 选择性高,只对靶虫起作用而不影响益虫,对哺乳动 物毒性很低,在环境中不积累,不挥发。施用这种农 药可以大大减小对环境的危害。
4. 3 原料的绿色化
以前多数精细化工原料来自生物体,后来煤和 石油成了主要的化工原料,今天95 %以上的有机化 学品来自石油。但是地球上的煤和石油储量是有限 的,世界已探明的石油可采储量为2500 ×109 t ,已 采出l150 ×109 t ,剩余1400 ×109 t 。根据目前世界 需求的增长趋势,石油只能在今后35～40 a 中可保 持较高的供应水平。按目前的开采速度,我国石油 资源将在约23 a 内枯竭。石油资源是不可再生资 源,储量有限,地区分布极不平衡。所以精细化工行 业所用的来自石油化工或煤化工产品不但消耗了大 量不可再生的原料,而且这些原料很多有很大的毒 性,在生产和使用过程中对环境造成很大的危害。
世界各国都在寻找代替石油资源的途径和方 法,研发替代原料以减少废物排放。目前化学工业 广泛采用将前一个工艺过程中产生的废物,用做下 一个工艺过程的原料,但根本的解决办法是从源头 抓起,改变原料来源。放弃使用现在普遍采用的、日 渐枯竭的石油原料,改用可重复使用的物质或生物 资源。可再生资源的研究与开发之所以引起国际上 的重视,主要是由于这些资源具有既可收获又能再 生、永不枯竭的特点,还具有生物可降解特性,与石 油化工原料相比,具有污染小、符合环境保护及人身 安全等优点。因而20 世纪80 年代以来,可再生资 源的研究成果及其在众多领域的应用十分令人瞩 目。海湾战争之后,世界各国更意识到利用天然资 源的必要性和紧迫性。不少国家,如美、日、德、法等 国,为此而采取许多优惠政策和扶持措施,促进可再 生资源新材料的开发与应用。美国目前有机化学品 中10 %源于可再生资源,并计划在2020 年和2090 年分别达到25 %和90 %。
可再生资源与不可再生资源的差别归结为形成 时间,不可再生资源如石油,需要几百万年的时间来 形成,而且需要当时独特地质条件,因此一旦用完就 不可能再生。而可再生资源通常指动物、植物为基 础的原料,消耗后在一定时间范围内可以产生,准确 说是指在人类的生存周期的时间范围内容易再生的 物质,例如木质素、纤维素等都可称为可再生资源。 利用可再生资源替代不可再生资源作为精细化 工的原料固然有很多优点,但在使用可再生原料的 同时,人们也发现了很多的问题。为了获得可再生 原料,仍然需要消耗大量的不可再生的原料,甚至对 环境造成更大的污染。从天然原料制取有机化工中 间体或其它精细化学品多采用浓酸或浓碱去处理, 对环境污染也相当严重。例如被称为壳聚糖的甲壳 胺,是一种用途较多的生物多糖,已成为当前发展的 热点。但其制备一般都是用虾壳、蟹壳通过强碱处 理,其制备过程本身就容易造成环境污染,工艺也比 较复杂、价格又较高,还受地域和时间的影响。另 外,很多人提倡用生物体作为生产化学品的原料来 代替石油,但这是个相当复杂的过程,例如主要的生 物体资源木质素,含有丰富的纤维素,可以用来生产 葡萄糖等化工原料。但是,由于纤维素是晶体很难 水解,需要采用“爆破”技术来进行加工,在这个过程 中木质素材料要通过高压蒸汽,然后突然减压,这个 过程需要很大的能量,要消耗很多的能源,如此复杂 的工艺使其加工成本大大提高,而且此过程会有很 多废弃物排放。又如用植物油脂制造肥皂、表面活 性剂时,这些植物的生长、收获、加工,都需要投入不 可再生资源,如农药、化肥等,有时消耗能量和其他 原料量更大。用天然植物油脂棕榈油为原料制备表 面活性剂乙烷磺酸甲脂(MES) 能耗为41～46 GJ / t , 而以石油为原料生产的阴离子表面活性剂LAS 只 需要29 GJ / t ,而前者的三废排放量也高。另外,在 制造1000 只塑料袋(不可再生资源) 需32 kg 石油, 每制造1000 只纸袋(可再生资源) 却需要47 kg 石 油。
另一方面,人们倾向于使用生物产品替代工业 产品作为原料,不仅对环境并不一定是友好的,而且 从经济角度出发,生物原料的使用也有其局限性。 局限性之一是供应的季节性问题。生物原料,其收 获和季节的关系很密切,或因干旱或作物生长失败 等因素会造成经济上的顾虑。这类原料的提供不仅 需要时间,不能连续供应,而且不稳定因素多,从而 造成生产的停顿;另外,收获的原料需要大面积的堆 场或库房妥善的保管,浪费大量的人力、物力和财 力。局限性之二是如果用农业产品代替工业产品作 原料需要使用大量的土地。传统作物既需要土地、又需要能量,使本来已经很紧张的粮食耕地面积更 加紧张,所以使用生物原料有不切实际的一面。另 外,人们为了获得大量的生物原料,采用了基因工 程、分子遗传学等现代生物高科技技术,对生物物种 进行改良,希望达到预期的目的。但是从生物安全 的角度出发,这种方法存在着潜在的危害。许多人 担心,通过基因工程培育的新品种一旦离开实验室 进入大自然,其行为可能表现出不确定性,甚至难以 控制,可能导致另一种生态灾难。
因此,在石油化工技术已经相当成熟的今天,尽 管其对环境污染负有责任,但因其在经济上的重要 作用,所以还将继续得到发展。不能笼统地说利用 可再生资源对环境造成的影响肯定比利用不可再生 资源小。使用什么资源作为精细化工原料,要考虑 其对环境的影响,但不能只看其某一方面对环境的 影响,需要运用清洁生产和绿色化学的原则综合考 虑,这样才能做到真正的清洁生产。因此,我们应该 建立一套完整的清洁生产及绿色化学的客观的、完 整的评价体系。
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