Green Chemistry and the Ten Commandments of Sustainability, 2nd ed pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:ChemChar Research Inc

作者:Stanley E. Manahan

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:2005-11-15

价格:USD 25.00

装帧:Paperback

isbn号码:9780974952246

丛书系列:

图书标签:

Green Chemistry
Sustainability
Environmental Chemistry
Chemical Engineering
Sustainable Development
Pollution Prevention
Eco-Friendly
Industrial Chemistry
Renewable Resources
Waste Management

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具体描述

《可持续发展十诫：绿色化学的视角》引言在人类文明步入二十一世纪的关键时刻，我们赖以生存的地球正面临前所未有的环境挑战。气候变化、资源枯竭、生物多样性丧失以及化学品污染等问题，如同沉重的阴影笼罩在我们的未来之上。这些挑战并非孤立存在，而是相互交织，共同指向一个深刻的事实：我们传统的生产和消费模式已难以为继。在这样的背景下，一种全新的思维方式和实践方法——绿色化学，正以前所未有的力量崛起，为人类社会的可持续发展提供了清晰的指引和切实可行的解决方案。《可持续发展十诫：绿色化学的视角》一书，正是一次深刻的探索和系统性的阐释。它不仅仅是一部关于化学的著作，更是一份关于如何与自然和谐共生、如何构建一个繁荣且永续未来的宣言。本书旨在揭示绿色化学的核心理念，并将其精炼为“可持续发展的十诫”，为科学家、工程师、政策制定者、教育工作者乃至每一个关心地球未来的个体，提供一套普适性的原则和行动指南。第一诫：预防污染 “预防胜于治疗”是健康管理的基本原则，在化学领域，这一原则同样至关重要。长期以来，化学工业的发展往往伴随着大量废物的产生，这些废物不仅对环境造成严重污染，也带来了高昂的治理成本和潜在的健康风险。绿色化学的第一诫，便是将预防污染作为化学过程设计的首要目标。这意味着，在化学反应的规划之初，就应该考虑如何从源头上减少或消除有害物质的产生。这不仅仅是“末端治理”的升级，而是对整个化学合成策略的颠覆。例如，通过选择更高效、更具选择性的催化剂，可以最大限度地减少副产物的生成。开发原子经济性更高的反应，即反应物尽可能多地转化为目标产物，而尽量减少不必要的原子浪费，也是实现这一目标的重要途径。此外，使用可再生原料替代不可再生资源，本身也是一种从源头减少环境负担的预防措施。以制药行业为例，许多药物的合成过程复杂且会产生大量有毒溶剂和副产物。绿色化学的应用，鼓励研发人员开发更短、更简洁的合成路线，使用更环保的溶剂（如水、超临界二氧化碳），甚至发展无溶剂的反应。这种预防性的思维，不仅能显著降低对环境的污染，还能提高生产效率，降低生产成本，并为企业带来良好的社会声誉。第二诫：原子经济性原子经济性是衡量化学反应效率的黄金标准。在传统的化学合成中，我们常常关注产物的收率，但忽略了反应过程中有多少原子被“浪费”了。原子经济性原则强调，在化学反应设计中，应尽可能使所有参与反应的原子都进入最终产物。换句话说，我们追求的是“少即是多”，用最少的原子投入，获得最多的目标产物。这一原则的实现，依赖于对化学反应机理的深入理解和巧妙设计。例如，加成反应通常具有很高的原子经济性，因为反应物的所有原子都直接连接到产物中。而取代反应和消除反应则可能产生副产物，降低原子经济性。绿色化学家致力于开发新型的加成反应，或优化现有的反应，使其更符合原子经济性的要求。举一个简单的例子：用氢气和烯烃进行加成反应生成烷烃，这是一个非常理想的原子经济性反应，所有原子都得到了充分利用。而如果采用某种涉及多个步骤、产生大量无机盐副产物的路线来合成相同的烷烃，其原子经济性将大打折扣。在工业生产中，提高原子经济性意味着更少的原料消耗、更少的废物产生，以及更低的能源消耗和环境负荷。第三诫：设计毒性更低的化学合成化学物质的毒性是影响人类健康和环境安全的关键因素。绿色化学的第三诫，要求我们在设计化学合成过程时，积极寻求使用或生成对人类和生态系统毒性最小的化学物质。这并非意味着完全避免所有有毒物质，而是要在可行的范围内，最大限度地降低毒性。这一原则的应用，需要对化学物质的毒理学特性有深刻的认识。化学家需要了解不同官能团、不同分子结构可能带来的潜在毒性，并据此选择更安全的替代品。例如，在溶剂的选择上，优先考虑低毒性、易生物降解的溶剂，如水、乙醇，而非高毒性的氯代烃类溶剂。在催化剂的选择上，避免使用重金属催化剂，而倾向于使用有机催化剂、酶催化剂或更安全的金属催化剂。一个鲜明的例子是，传统的防污涂料中常常含有对水生生物有毒的有机锡化合物。绿色化学的研究，促使开发出不含这些有害物质的新型防污涂料，通过物理方式或使用对环境影响更小的生物活性物质来实现防污功能。这种设计理念，将安全性融入了化学品的生命周期，从源头上减少了潜在的危害。第四诫：设计更安全的化学品在第三诫的基础上，第四诫将重点放在了“化学品本身”的设计。它要求我们不仅要关注合成过程的安全性，更要关注最终产物——化学品的固有安全性。理想的化学品，即使在不可避免地释放到环境中时，也应该能够安全地降解，不产生有害的代谢产物。这意味着，化学家在设计新分子时，需要考虑其在环境中的稳定性和降解性。例如，设计易于生物降解的聚合物，避免使用那些在环境中长期存在、难以分解的塑料。在农药和杀虫剂的设计中，力求其对目标害虫有高效的杀灭作用，但对非目标生物和人类无毒，并在使用后能迅速分解为无害物质。现代绿色化学研究，正在积极探索“分子设计”与“毒性评估”的协同。通过计算机模拟和高通量筛选技术，可以预测分子的潜在毒性，并据此优化分子结构，使其在满足功能需求的同时，具有更低的毒性。例如，在表面活性剂的设计中，一些传统的非离子表面活性剂在使用后会产生难以处理的生物累积性物质，而新型的绿色表面活性剂则设计为易于降解，减少对水体的影响。第五诫：使用更安全的溶剂和助剂溶剂在化学反应中扮演着至关重要的角色，它们能够溶解反应物，提供反应介质，并帮助控制反应温度。然而，许多传统的溶剂，如二氯甲烷、苯、甲苯等，具有易燃、易爆、高毒性、易挥发等特点，对环境和人体健康构成严重威胁。绿色化学的第五诫，倡导在化学过程中使用更安全的溶剂和助剂，并尽可能减少其用量。这涉及到对溶剂的重新审视和创新。首先，应优先选择水作为溶剂，水是一种天然、安全、廉价且易于获得的溶剂。当水不适合作为反应介质时，可以考虑使用其他低毒性、可再生、易于回收的溶剂，例如乙醇、异丙醇、乙酸乙酯，以及超临界二氧化碳、离子液体等新型绿色溶剂。此外，对于一些特殊的反应，也可以考虑无溶剂反应，即在没有溶剂的情况下直接进行反应。这不仅能彻底消除溶剂的危害，还能显著提高反应的效率和原子经济性。例如，通过固相反应、研磨化学（mechanochemistry）等技术，可以在固态条件下实现某些化学转化。第六诫：为能源效率设计化学反应的发生往往需要消耗能量，例如加热、冷却、搅拌等。能源的消耗不仅增加了生产成本，而且大部分能源的生产过程会产生温室气体排放，加剧气候变化。绿色化学的第六诫，要求我们在设计化学过程时，充分考虑能源效率，尽量在温室效应潜力（GWP）较低的条件下进行反应，并在室温和常压下进行。这意味着，需要开发更温和的反应条件。例如，通过设计更高效的催化剂，降低反应所需的活化能，从而减少加热的需求。利用光化学、电化学等反应方式，可以直接利用光能或电能驱动反应，减少对传统加热方式的依赖。在工业生产中，优化反应器的设计，减少热量损失，回收利用反应过程中产生的热量，也是提高能源效率的重要手段。例如，采用连续流反应器替代传统的间歇式反应器，可以更有效地控制反应温度，提高能量利用效率。第七诫：使用可再生原料当前，绝大多数化学品仍依赖于不可再生资源，如石油、天然气和煤炭。这些资源的有限性以及开采和使用过程对环境造成的破坏，促使我们必须寻找可持续的替代方案。绿色化学的第七诫，倡导优先使用可再生原料，如生物质、农业废弃物、藻类等，来生产化学品和能源。这一原则的实现，涉及到对生物质的高效转化和利用。例如，利用生物发酵技术将植物中的糖类转化为乙醇、生物柴油等燃料和化学品。通过酶催化或化学催化技术，将木质纤维素等农林废弃物转化为有价值的化学原料，如平台化合物（platform chemicals）。使用可再生原料，不仅能够减少对化石燃料的依赖，降低温室气体排放，还有助于促进农业和林业的可持续发展，并为偏远地区创造新的经济机会。这标志着我们从“消耗地球”转向“利用地球可更新的资源”。第八诫：减少衍生物在化学合成过程中，有时需要对分子中的某些官能团进行暂时性的保护，以防止其在后续反应中发生不必要的转化。这些保护基的引入和脱除，往往需要额外的步骤，消耗更多的试剂和能源，并产生额外的废物。绿色化学的第八诫，鼓励尽量避免使用保护基，设计能够直接实现目标转化的合成路线。这意味着，需要开发更高选择性的反应。例如，设计能够特异性地与特定官能团反应的催化剂，而无需事先对其他官能团进行保护。通过巧妙的反应顺序设计，也可以避免使用保护基。例如，在多步合成中，如果某种官能团在早期反应中容易受到影响，传统的做法是先将其保护起来，完成其他部分的合成后再脱保护。而绿色化学的设计理念，则鼓励寻找一种新的合成路线，使得该官能团在所有反应步骤中都能保持稳定，或者在必要时，通过一次性引入的试剂，同时完成几个官能团的转化，从而省去中间的保护和脱保护步骤。第九诫：催化催化剂在化学反应中起着至关重要的作用，它们能够显著降低反应所需的活化能，加快反应速率，并且在反应过程中本身不被消耗。绿色化学的第九诫，强调催化在可持续化学中的核心地位。催化反应通常比化学计量反应（即反应物按固定比例消耗）具有更高的原子经济性，产生的废物也更少。这包括对传统催化剂的优化以及新型催化剂的开发。例如，开发更高活性、更高选择性、更长寿命的金属催化剂、有机催化剂、酶催化剂等。特别地，生物催化（酶催化）因其高度的选择性、在温和条件下的反应能力以及可生物降解性，被认为是绿色化学的重要发展方向。此外，利用纳米技术设计新型催化剂，可以提高催化剂的表面积和活性位点，从而提高催化效率。发展多相催化，即催化剂与反应物处于不同相态（例如固态催化剂与液态或气态反应物），便于催化剂的分离和回收，也符合绿色化学的原则。第十诫：实时分析以防止污染在化学过程的每一个环节，都需要对化学物质的组成、状态和转化情况进行实时监测和分析，以便及时发现潜在的污染风险，并采取相应的纠正措施。绿色化学的第十诫，强调实时分析的重要性。这种“过程分析技术”（PAT）能够帮助实现过程的优化和控制，从源头上防止污染的发生。这意味着，在化学反应的进行过程中，利用各种先进的分析仪器，例如光谱仪（红外、紫外-可见、拉曼）、色谱仪（气相、液相）、质谱仪等，对反应物、中间产物和产物的浓度、含量、纯度进行实时检测。通过对分析数据的即时反馈，可以对反应条件进行动态调整，例如温度、压力、进料速率等，以确保反应始终在最佳状态下进行，最大程度地减少副产物的生成。这种预防性的监测和控制，能够有效避免“意外”的污染事故，并提高生产的稳定性和可靠性。结论《可持续发展十诫：绿色化学的视角》所阐述的十项原则，并非相互孤立，而是相互关联、相辅相成。它们共同构成了一个完整的、以环境友好和可持续发展为核心的化学设计理念。从预防污染、提高原子经济性，到设计更安全的化学品和过程，再到利用可再生原料和催化技术，每一个原则都指向一个更清洁、更高效、更安全的未来。本书的意义在于，它将抽象的“可持续发展”理念，转化为切实可行的化学实践指南。它鼓励我们重新审视传统的化学思维模式，拥抱创新，将环境责任融入到化学研究和工业生产的每一个细节之中。践行这十诫，不仅是化学界的使命，也是全社会共同的责任。通过共同努力，我们可以构建一个更加美好的、与自然和谐共存的未来。