高中化学 23 环境保护与绿色化学

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一、环境污染及其防治

大气污染：

主要污染物：包括二氧化硫、氮氧化物、颗粒物（如PM2.5、PM10等）、一氧化碳、挥发性有机物等。这些污染物主要来源于化石燃料的燃烧、工业废气排放、汽车尾气等。

危害：二氧化硫和氮氧化物会导致酸雨的形成，酸雨会腐蚀建筑物、损害农作物、污染土壤和水体等；颗粒物会影响空气质量，危害人体健康，如引发呼吸道疾病、心血管疾病等；一氧化碳有毒，会与血红蛋白结合，降低血红蛋白的输氧能力，导致人体缺氧；挥发性有机物在大气中会发生光化学反应，生成臭氧等二次污染物，形成光化学烟雾，对人体和环境造成危害。

防治措施：调整能源结构，减少化石燃料的使用，开发和利用清洁能源，如太阳能、风能、水能等；对工业废气进行净化处理，如采用脱硫、脱硝、除尘等技术；加强汽车尾气排放控制，推广使用新能源汽车，提高汽车尾气排放标准；加强城市绿化，增加植被覆盖率，吸附空气中的污染物。

水污染：

主要污染物：有重金属离子（如汞、镉、铅等）、有机物（如农药、化肥、石油类物质等）、酸、碱、盐等。这些污染物主要来自工业废水排放、农业面源污染、生活污水排放等。

危害：重金属离子会在生物体内积累，通过食物链的传递，对人体健康造成严重危害，如汞中毒会损害神经系统；有机物会消耗水中的溶解氧，导致水体富营养化，使水生生物大量死亡，破坏生态平衡；酸、碱、盐等会改变水体的酸碱度，影响水生生物的生存环境。

防治措施：工业废水需经过处理达标后排放，采用物理、化学、生物等方法去除废水中的污染物；加强农业面源污染治理，合理使用农药、化肥，推广生态农业；建设城市污水处理厂，对生活污水进行集中处理，提高污水处理率；加强水资源保护，防止水资源的过度开发和污染。

土壤污染：

主要污染物：包括重金属污染物、有机物污染物、放射性物质、病原体等。污染物的来源主要有工业废渣的堆放、污水灌溉、农药化肥的不合理使用、大气污染物的沉降等。

危害：土壤污染会导致土壤肥力下降，影响农作物的生长和产量；重金属等污染物会通过食物链进入人体，危害人体健康；一些持久性有机污染物在土壤中难以降解，会长期存在并对生态环境造成潜在威胁。

防治措施：控制和消除工业“三废”的排放，加强对工业废渣的管理和处理，防止其对土壤的污染；合理使用农药、化肥，推广绿色防控技术，减少农药、化肥的施用量；对受污染的土壤进行修复，可采用物理修复、化学修复、生物修复等方法，恢复土壤的生态功能。

二、绿色化学

绿色化学的概念：绿色化学又称环境友好化学，它的核心是利用化学原理从源头上减少和消除工业生产对环境的污染。按照绿色化学的原则，在理想的化工生产方式中，反应物中的原子全部转化为期望的最终产物，实现原子经济性，即原子利用率为100%。

绿色化学的特点：

原料绿色化：采用无毒、无害的可再生资源作为原料，如生物质、二氧化碳等，减少对不可再生资源的依赖，降低对环境的影响。

反应条件温和化：尽量在常温、常压等温和条件下进行化学反应，降低能源消耗，减少因高温、高压等条件可能带来的安全隐患和环境污染。

化学反应绿色化：选择原子经济性高的化学反应，使反应过程中尽可能多的反应物原子转化为产物原子，减少废弃物的产生。同时，避免使用有毒、有害的催化剂和溶剂，采用环境友好的催化剂和绿色溶剂，如酶、离子液体等。

产品绿色化：生产对环境友好、可生物降解的绿色产品，使其在使用和废弃后不会对环境造成危害。例如，开发可降解塑料，替代传统的不可降解塑料，减少白色污染。

绿色化学的原则：

防止污染优于治理污染。

原子经济性，即设计的合成方法应使反应过程中所用的物料能最大限度地转化到最终产物中。

只要可行，应尽量采用毒性小的化学合成路线。

设计的化学产品应在保持原有功效的同时，尽量使其无毒或毒性很小。

应尽可能避免使用辅助物质，如溶剂、分离剂等，如必须使用，也应使用无毒、无害的辅助物质。

能量使用应最小化，并应考虑其对环境和经济的影响，合成方法应在常温、常压下进行。

只要技术和经济上可行，原料应是可再生的，而不是即将耗竭的。

尽量避免不必要的衍生化步骤，如基团的保护与去保护、临时调变物理或化学工艺。

催化剂优于化学计量试剂。

化学产品在使用完后应能降解成无害的物质，而不应残留在环境中。

三、绿色化学在化工生产中的应用

原子经济性反应的应用：在有机合成中，采用原子经济性反应可以大大提高原子利用率，减少废弃物的产生。例如，环氧乙烷的生产，传统的氯醇法原子利用率较低，而采用乙烯直接氧化法，原子利用率可显著提高，反应方程式为 $2CH_{2}=CH_{2}+O_{2}\stackrel{催化剂}{\longrightarrow}2$ ，原子利用率从氯醇法的约37%提高到直接氧化法的约100%。

绿色溶剂的使用：传统的有机溶剂如苯、甲苯等具有毒性，对环境和人体健康有害。绿色化学中采用一些环境友好的溶剂，如超临界二氧化碳、离子液体等。超临界二氧化碳具有临界温度和压力较低、化学性质稳定、无毒、不易燃等优点，可作为溶剂用于萃取、化学反应等过程。离子液体是由有机阳离子和无机或有机阴离子构成的在室温或接近室温下呈液态的盐类，具有良好的溶解性、热稳定性和可设计性，可作为溶剂和催化剂用于多种化学反应。

可再生资源的利用：利用生物质等可再生资源生产化学品是绿色化学的重要研究方向之一。例如，以淀粉、纤维素等生物质为原料，通过发酵、水解等工艺，可以生产乙醇、乳酸等化学品，这些产品具有良好的环境相容性和可再生性，可替代传统的以化石资源为基础的化学品。

环境保护与绿色化学是当今化学学科发展的重要方向，对于实现人类社会的可持续发展具有重要意义。在化工生产和日常生活中，我们应积极推广和应用绿色化学理念和技术，减少环境污染，保护生态环境。