精細(xì)化工行業(yè)的清潔生產(chǎn)與可再生原料的利用
上世紀(jì)80 年代以來(lái),世界各國(guó)的科技進(jìn)步、生 產(chǎn)力提高和經(jīng)濟(jì)發(fā)展,給人類(lèi)社會(huì)的物質(zhì)生活和精 神生活帶來(lái)了巨大的改觀。與此同時(shí),隨著工業(yè)化 的高速發(fā)展,進(jìn)入自然生態(tài)環(huán)境的廢物和污染物越 來(lái)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(yán)重短缺 和生態(tài)環(huán)境的日趨惡化。為此,聯(lián)合國(guó)環(huán)境署理事 會(huì)于1989 年5 月做出關(guān)于環(huán)境無(wú)害技術(shù)的決定。 1990 年10 月在英國(guó)坎特伯雷清潔生產(chǎn)研討會(huì)上, 聯(lián)合國(guó)環(huán)境署工業(yè)與環(huán)境規(guī)劃活動(dòng)中心(UNEP/ PAC) 推出了清潔生產(chǎn)計(jì)劃。1992 年6 月在里約熱 內(nèi)盧聯(lián)合國(guó)環(huán)發(fā)大會(huì)上,清潔生產(chǎn)被正式確認(rèn)為可 持續(xù)發(fā)展的先決條件,被視為工業(yè)界達(dá)到環(huán)境改善 同時(shí)保持競(jìng)爭(zhēng)性及可盈利性的核心手段之一,并被 列入其行動(dòng)綱領(lǐng)《21 世紀(jì)議程》。
在聯(lián)合國(guó)環(huán)境與發(fā)展會(huì)議之后,我國(guó)政府編制 了《中國(guó)21 世紀(jì)議程》,規(guī)定了我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的整 體目標(biāo),制定了實(shí)施持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略步驟,是指導(dǎo)我 國(guó)環(huán)境工作的指南。1993 年10 月召開(kāi)的第二次全 國(guó)工業(yè)污染防治會(huì)議上,對(duì)我國(guó)工業(yè)污染防治提出 了由末端治理轉(zhuǎn)向生產(chǎn)全過(guò)程控制、推行清潔生產(chǎn) 的戰(zhàn)略方針。10 年來(lái)通過(guò)實(shí)施清潔生產(chǎn)審核和生 產(chǎn)工藝技術(shù)改造,主要污染物排放量已經(jīng)平均削減 20 %以上。我國(guó)已經(jīng)加入WTO ,環(huán)境保護(hù)正在成 為國(guó)際貿(mào)易和投資的重要條件之一。走清潔生產(chǎn)的 可持續(xù)發(fā)展道路,已經(jīng)成為我們的必然選擇。2002 年,全國(guó)人大通過(guò)《中華人民共和國(guó)清潔生產(chǎn)促進(jìn) 法》。該法的實(shí)施標(biāo)志著清潔生產(chǎn)有了施行的法律 依據(jù),從法律角度上真正實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境保 護(hù)的統(tǒng)一。
2 什么是清潔生產(chǎn)
清潔生產(chǎn)(Cleaner production) 這一概念最早是 由聯(lián)合國(guó)環(huán)境署工業(yè)與環(huán)境規(guī)劃活動(dòng)中心提出的, 用以表征從產(chǎn)品生產(chǎn)到產(chǎn)品使用全過(guò)程的廣泛的污 染防治途徑。其定義如下:“清潔生產(chǎn)是指將綜合預(yù) 防的環(huán)境策略持續(xù)應(yīng)用于生產(chǎn)過(guò)程和產(chǎn)品中,以便 減少對(duì)人類(lèi)和環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)性”;“對(duì)生產(chǎn)過(guò)程而言,清 潔生產(chǎn)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(kāi)生產(chǎn)過(guò)程以前減少它們的數(shù) 量和毒性”;“對(duì)產(chǎn)品而言,清潔生產(chǎn)策略旨在減少產(chǎn) 品的整個(gè)生產(chǎn)周期過(guò)程中,從原料的提取到產(chǎn)品的 最終處置對(duì)人類(lèi)和環(huán)境的影響”。從上述定義可以 看出,清潔生產(chǎn)涉及了兩個(gè)全過(guò)程控制:生產(chǎn)全過(guò)程 控制和產(chǎn)品整個(gè)生命周期控制。
總之,清潔生產(chǎn)是通過(guò)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、原料選擇、工 藝改革、生產(chǎn)管理和生產(chǎn)過(guò)程、產(chǎn)物內(nèi)部循環(huán)利用等 環(huán)節(jié)的科學(xué)化和合理化,使工業(yè)生產(chǎn)最終產(chǎn)生的污 染物達(dá)到最少的工業(yè)生產(chǎn)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(hù)的協(xié)調(diào)一致。
3 化工行業(yè)的清潔生產(chǎn)
化學(xué)工業(yè)是一個(gè)多行業(yè)、多品種的工業(yè)部門(mén),包括基本化工原料、化學(xué)肥料、農(nóng)藥等20 多種部門(mén),生 產(chǎn)品種在5 萬(wàn)種以上。化工行業(yè)對(duì)我國(guó)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 的發(fā)展具有重要的作用。但由于化工產(chǎn)品種類(lèi)繁 多,而且中小型企業(yè)占大多數(shù),長(zhǎng)期以來(lái)采用高消 耗、低效益、粗放型的生產(chǎn)模式,使我國(guó)化工行業(yè)對(duì) 環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。我國(guó)的化工行業(yè)的廢水、 廢氣、廢渣的排放量分別占全國(guó)排放總量的20 %～ 23 %、5 %～7 %和8 %～10 %。
針對(duì)化學(xué)工業(yè)對(duì)環(huán)境造成的嚴(yán)重污染,在推行 清潔生產(chǎn)的基礎(chǔ)上,人們又提出“綠色化學(xué)”( Green Chemist ry) 的概念。綠色化學(xué),即用化學(xué)的技術(shù)和 方法去減少或消滅那些對(duì)人類(lèi)健康、生態(tài)環(huán)境有害 的原料、催化劑、溶劑、試劑、產(chǎn)物、副產(chǎn)物等的使用 和產(chǎn)生。綠色化學(xué)與清潔生產(chǎn)一樣要求把現(xiàn)有化工 生產(chǎn)技術(shù)路線從“先污染,后治理”改為“從源頭上根 除污染”。綠色化學(xué)的理想是采用“原子經(jīng)濟(jì)” (Atom Economy) ,即原料中每一個(gè)原子都進(jìn)入產(chǎn) 品,不產(chǎn)生任何廢物。綠色化學(xué)的內(nèi)容包括以下幾 個(gè)方面:原料的綠色化,選擇無(wú)毒、無(wú)害的原料;化學(xué) 反應(yīng)綠色化,目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)“原子經(jīng)濟(jì)”反應(yīng);反應(yīng)介質(zhì) 的綠色化,采用無(wú)毒、無(wú)害的催化劑和溶劑;產(chǎn)品綠 色化,生產(chǎn)出對(duì)環(huán)境友好的產(chǎn)品。綠色化學(xué)其實(shí)就 是清潔生產(chǎn)圍繞化工行業(yè)而提出的。因此,從根本 上治理化學(xué)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(xué)。
4 精細(xì)化工行業(yè)的清潔生產(chǎn)
精細(xì)化工行業(yè)范圍較廣,品種繁多,包括染料、 農(nóng)藥、制藥和日用化工等約40 多個(gè)行業(yè),在化學(xué)工 業(yè)中占有很大的比重。由于精細(xì)化工產(chǎn)品具有投資 效率高、附加值高、利潤(rùn)大、應(yīng)用范圍廣等諸多特點(diǎn), 所以加速發(fā)展精細(xì)化工已成為世界性的趨勢(shì)。但精 細(xì)化工產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程中排出的物質(zhì)大多是結(jié)構(gòu)復(fù) 雜、有毒、有害和難以生物降解的物質(zhì),帶來(lái)了嚴(yán)重 的環(huán)境污染。因此,精細(xì)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(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生大量的廢物之外,一些 精細(xì)化學(xué)品本身具有毒性,在使用過(guò)程中或使用后 對(duì)環(huán)境有危害;有的精細(xì)化學(xué)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(zhǎng),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(tuán)的碳鏈的 長(zhǎng)度,使其在使用后流入到江、河、湖泊中,長(zhǎng)期不能 被生物降解,使水體受到污染。
如何使精細(xì)化工行業(yè)持續(xù)發(fā)展而不給環(huán)境帶來(lái) 危害,已成為國(guó)內(nèi)外關(guān)注的焦點(diǎn)。但是,目前精細(xì)化 工行業(yè)使用的工藝技術(shù)和產(chǎn)品,多數(shù)都是四五十年 代研究開(kāi)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(guó)對(duì)精細(xì)化工的研究投入的三分 之一要用于控制和處理生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的“三廢”。 有許多精細(xì)化學(xué)品的生產(chǎn)就是因?yàn)?ldquo;三廢”污染的問(wèn) 題無(wú)法解決,只能停產(chǎn)。有些精細(xì)化工企業(yè)因?yàn)?ldquo;三 廢”排放不能達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)而每年面臨巨額的罰款, 給企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。
隨著環(huán)保法規(guī)的日益嚴(yán)格,投入的環(huán)境污染治 理費(fèi)用也將急劇增加。只是對(duì)污染進(jìn)行末端治理是 很難達(dá)到預(yù)期效果的,如不對(duì)現(xiàn)有的精細(xì)化工技術(shù) 和產(chǎn)品進(jìn)行大的變革,將不會(huì)從根本上實(shí)現(xiàn)行業(yè)污 染的控制。革新現(xiàn)有技術(shù)和產(chǎn)品的最好的方法就是 大力研究和開(kāi)發(fā)從源頭根除環(huán)境污染的清潔技術(shù)。 針對(duì)精細(xì)化工行業(yè)的污染特點(diǎn),人們運(yùn)用清潔 生產(chǎn)的原則,提出了“綠色精細(xì)化工”的概念,認(rèn)為精 細(xì)化學(xué)品工業(yè)必須朝著低污染甚至無(wú)污染的“綠色” 方向發(fā)展。其主要內(nèi)容包括:
4. 1 單元反應(yīng)的綠色化
最常用的精細(xì)化工工藝一般都是由若干個(gè)典型 的精細(xì)化學(xué)反應(yīng)單元組合而成,如磺化反應(yīng)、氫化反 應(yīng)、鹵化反應(yīng)等。這些反應(yīng)一般都不可避免地產(chǎn)生 “三廢”。要使這些單元反應(yīng)綠色化,目前最好的辦 法是選擇高效的催化劑和無(wú)害的溶劑,并進(jìn)行工藝 條件的優(yōu)化選擇。例如:碳?xì)浠衔锏难趸磻?yīng)廣 泛應(yīng)用于醫(yī)藥中間體等精細(xì)化學(xué)品的生產(chǎn),但傳統(tǒng) 的生產(chǎn)是采用重鉻酸鹽、高錳酸鹽等作為氧化劑,反 應(yīng)得到1 kg 產(chǎn)物將產(chǎn)生5～100 kg 的重金屬鹽副產(chǎn) 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(chǎn)物的產(chǎn)生問(wèn)題,而且增加了 生產(chǎn)過(guò)程的安全性,減少了催化劑使用過(guò)程中的毒 性。
4. 2 產(chǎn)品的綠色化
精細(xì)化工產(chǎn)品的綠色化與人類(lèi)健康及生態(tài)環(huán)境 有著密切的關(guān)系。但在傳統(tǒng)的精細(xì)化工產(chǎn)品的設(shè)計(jì) 中只重視了產(chǎn)品功能的設(shè)計(jì),而忽視了其對(duì)環(huán)境及 人類(lèi)的危害。所以設(shè)計(jì)精細(xì)化學(xué)品時(shí)應(yīng)該考慮是否 符合綠色化學(xué)品的兩個(gè)特征: ①產(chǎn)品本身必須不會(huì) 引起環(huán)境污染或健康問(wèn)題,不會(huì)對(duì)人、動(dòng)物或植物造 成損害; ②產(chǎn)品使用后,應(yīng)該能再循環(huán)或易于在環(huán)境 中降解為無(wú)害物質(zhì)。傳統(tǒng)的化學(xué)農(nóng)藥,人們只注重 它的殺生效果,并不注重其對(duì)環(huán)境是否友好。有些農(nóng)藥在使用中只有0. 1 %擊中靶標(biāo)害蟲(chóng),99. 9 %都 污染了環(huán)境或是殺死了其他益蟲(chóng),所以要達(dá)到除蟲(chóng) 的目的需要大量的施用。然而大量使用農(nóng)藥勢(shì)必污 染土壤和水體,還會(huì)在生物體內(nèi)積累,進(jìn)入食物鏈對(duì) 人類(lèi)構(gòu)成危害,所以必須設(shè)計(jì)出取代原有農(nóng)藥的新 型農(nóng)藥。DOW 化學(xué)公司發(fā)明了一種高選擇性對(duì)環(huán) 境友好的殺蟲(chóng)劑———Spionsoad。這種農(nóng)藥作用快, 選擇性高,只對(duì)靶蟲(chóng)起作用而不影響益蟲(chóng),對(duì)哺乳動(dòng) 物毒性很低,在環(huán)境中不積累,不揮發(fā)。施用這種農(nóng) 藥可以大大減小對(duì)環(huán)境的危害。
4. 3 原料的綠色化
以前多數(shù)精細(xì)化工原料來(lái)自生物體,后來(lái)煤和 石油成了主要的化工原料,今天95 %以上的有機(jī)化 學(xué)品來(lái)自石油。但是地球上的煤和石油儲(chǔ)量是有限 的,世界已探明的石油可采儲(chǔ)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(zhǎng)趨勢(shì),石油只能在今后35～40 a 中可保 持較高的供應(yīng)水平。按目前的開(kāi)采速度,我國(guó)石油 資源將在約23 a 內(nèi)枯竭。石油資源是不可再生資 源,儲(chǔ)量有限,地區(qū)分布極不平衡。所以精細(xì)化工行 業(yè)所用的來(lái)自石油化工或煤化工產(chǎn)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(chǎn)和使用過(guò)程中對(duì)環(huán)境造成很大的危害。
世界各國(guó)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?gòu)U物排放。目前化學(xué)工業(yè) 廣泛采用將前一個(gè)工藝過(guò)程中產(chǎn)生的廢物,用做下 一個(gè)工藝過(guò)程的原料,但根本的解決辦法是從源頭 抓起,改變?cè)蟻?lái)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(fù)使用的物質(zhì)或生物 資源？稍偕Y源的研究與開(kāi)發(fā)之所以引起國(guó)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(diǎn),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(hù)及人身 安全等優(yōu)點(diǎn)。因而20 世紀(jì)80 年代以來(lái),可再生資 源的研究成果及其在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用十分令人矚 目。海灣戰(zhàn)爭(zhēng)之后,世界各國(guó)更意識(shí)到利用天然資 源的必要性和緊迫性。不少國(guó)家,如美、日、德、法等 國(guó),為此而采取許多優(yōu)惠政策和扶持措施,促進(jìn)可再 生資源新材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。美國(guó)目前有機(jī)化學(xué)品 中10 %源于可再生資源,并計(jì)劃在2020 年和2090 年分別達(dá)到25 %和90 %。
可再生資源與不可再生資源的差別歸結(jié)為形成 時(shí)間,不可再生資源如石油,需要幾百萬(wàn)年的時(shí)間來(lái) 形成,而且需要當(dāng)時(shí)獨(dú)特地質(zhì)條件,因此一旦用完就 不可能再生。而可再生資源通常指動(dòng)物、植物為基 礎(chǔ)的原料,消耗后在一定時(shí)間范圍內(nèi)可以產(chǎn)生,準(zhǔn)確 說(shuō)是指在人類(lèi)的生存周期的時(shí)間范圍內(nèi)容易再生的 物質(zhì),例如木質(zhì)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(xì)化 工的原料固然有很多優(yōu)點(diǎn),但在使用可再生原料的 同時(shí),人們也發(fā)現(xiàn)了很多的問(wèn)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(duì) 環(huán)境造成更大的污染。從天然原料制取有機(jī)化工中 間體或其它精細(xì)化學(xué)品多采用濃酸或濃堿去處理, 對(duì)環(huán)境污染也相當(dāng)嚴(yán)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(dāng)前發(fā)展的 熱點(diǎn)。但其制備一般都是用蝦殼、蟹殼通過(guò)強(qiáng)堿處 理,其制備過(guò)程本身就容易造成環(huán)境污染,工藝也比 較復(fù)雜、價(jià)格又較高,還受地域和時(shí)間的影響。另 外,很多人提倡用生物體作為生產(chǎn)化學(xué)品的原料來(lái) 代替石油,但這是個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過(guò)程,例如主要的生 物體資源木質(zhì)素,含有豐富的纖維素,可以用來(lái)生產(chǎn) 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(shù)來(lái)進(jìn)行加工,在這個(gè)過(guò)程 中木質(zhì)素材料要通過(guò)高壓蒸汽,然后突然減壓,這個(gè) 過(guò)程需要很大的能量,要消耗很多的能源,如此復(fù)雜 的工藝使其加工成本大大提高,而且此過(guò)程會(huì)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(shí),這些植物的生長(zhǎng)、收獲、加工,都需要投入不 可再生資源,如農(nóng)藥、化肥等,有時(shí)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(chǎn)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(chǎn)品替代工業(yè) 產(chǎn)品作為原料,不僅對(duì)環(huán)境并不一定是友好的,而且 從經(jīng)濟(jì)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(yīng)的季節(jié)性問(wèn)題。生物原料,其收 獲和季節(jié)的關(guān)系很密切,或因干旱或作物生長(zhǎng)失敗 等因素會(huì)造成經(jīng)濟(jì)上的顧慮。這類(lèi)原料的提供不僅 需要時(shí)間,不能連續(xù)供應(yīng),而且不穩(wěn)定因素多,從而 造成生產(chǎn)的停頓;另外,收獲的原料需要大面積的堆 場(chǎng)或庫(kù)房妥善的保管,浪費(fèi)大量的人力、物力和財(cái) 力。局限性之二是如果用農(nóng)業(yè)產(chǎn)品代替工業(yè)產(chǎn)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(lái)已經(jīng)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(shí)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(xué)等現(xiàn)代生物高科技技術(shù),對(duì)生物物種 進(jìn)行改良,希望達(dá)到預(yù)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(dān)心,通過(guò)基因工程培育的新品種一旦離開(kāi)實(shí)驗(yàn)室 進(jìn)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(dǎo)致另一種生態(tài)災(zāi)難。
因此,在石油化工技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟的今天,盡 管其對(duì)環(huán)境污染負(fù)有責(zé)任,但因其在經(jīng)濟(jì)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(shuō)利用 可再生資源對(duì)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(xì)化工原料,要考慮 其對(duì)環(huán)境的影響,但不能只看其某一方面對(duì)環(huán)境的 影響,需要運(yùn)用清潔生產(chǎn)和綠色化學(xué)的原則綜合考 慮,這樣才能做到真正的清潔生產(chǎn)。因此,我們應(yīng)該 建立一套完整的清潔生產(chǎn)及綠色化學(xué)的客觀的、完 整的評(píng)價(jià)體系。
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”
