化学工业中的可持续性
中国化工信息中心教授级高级工程师 朱曾惠
可持续性发展已成为全球共识，在实施可持续性发展战略中，化学工业有其独特的地位和作用，因此对“可
持续性”应当要有一个较为完整的概念，最近看到美国科学院国家研究委员会出版的一本书，书名为《化学工
业中的可持续性》（Sustainability in The chemical Industry），由该院地球和生命研究部中化学科学和技
术分部的化学工业中可持续性面临的重大挑战委员会主编。本书对化学工业发展中的可持续性问题作了比较全
面的论述，并相应地提出了面临的总体性挑战和需要进行研究和解决的课题。
化学和化学工程的关键部门都认为要创建经济上可靠的替代品来替代当前的化石燃料和那些降低自然系
统再生能力的事业，这就是可持续性。“化学工业中的可持续性”的研究目的是帮助化学工业界定必要的研究
目标，使化学产品、工艺过程和系统向可持续性转变。本书提出了化学和化学工程中可持续性面临的整体性挑
战及相应的建议，但是没有提出关于可持续性的研究课题，因此尚不能形成一个有深度的经济分析或政策评价，
只是开展这类研究的起点。从书中可以看到化学工业和政府面临的一些主要挑战和机遇，有助于研究开发基金
能面向主要的可持续性目标进行投放。
当前在美国登记使用的化学品有8万多种，每年增加2000种。按美国化学委员会统计，美国化学事业为
4600亿美元，约占全球化工生产的26%，是国家经济中的关键性行业。化学公司在研究开发方面的投资比其他
行业都多，但是许多化学品对人身健康和环境都有不良影响。在环境中监测和控制化学品非常费钱，每年美国
在清除有害废物方面的投资超过10亿美元。化石燃料的消耗趋势以及相应的法规政策使化学加工产业（CPI）
发生了巨大变化，随着公众对透明度的需求以及对风险发生可能性和健康指标等的重视，公司在创新和竞争能
力增强的同时提出了可持续性的目标，这些目标在产业界中堪称“三重底线”（triple bottom line）。但与此
同时，工业界出现了研究开发投资下降或持平的趋势，依靠科学知识来支持可持续性目标的实现因此出现困难。
化学工业在发展中主要面临一个难以解答的问题——需要可持续性（需求经济、环境和社会方面平衡而不使所
依赖的自然系统逐渐受到损害），但却缺乏科学和技术的协调和支持，使可持续性目标得以实现。化学工业作
为现代社会的原材料工业，在可持续性工作中应起主要作用，要推动科学技术发展来支持化学物质的设计、创
新、加工、应用以及废物处理，这些都是可持续性的基础。
为了使化学产品、加工工艺和系统能够实现可持续的广阔目标，本书提出了化学工业面临的一系列整体性
挑战以及需要研究的相应课题。所提出的挑战虽然不多，但对化学工业的发展非常重要。化学工业应从当前模
式超越2个关键时期阶段走向理想境界（见图1）：①2005～2025年，继续利用化学燃料（主要是石油）作首
选能源和化学原料，但主要对碳进行管理，降低能源的高密度利用，并进行可促进可持续性思维的教育；②
2025～2105年，不使用化学燃料，依靠绿色化学和工程（建立化学物质毒性和全生命周期影响的基础性知识），
用可再生资源替代化石燃料和原料。
总体性的重大挑战
从科学技术角度提出可持续性，保持经济、环境和社会进步的均衡发展，化学工业在未来100年内面临许
多重大的挑战。书中选择了8项总体挑战，并提出面临这些重大挑战所需进行研究的课题。
1.绿色、可持续化学和工程 要找到利用绿色、可持续化学和工程进行全新化学变化的途径，不能走产生
了废物再去清理的老路。未来20年中化学反应要替代有危害溶剂或改善催化剂选择性和效率，同时降低成本。
需研究的课题：确定适用的溶剂，控制加热条件，同时在产品纯度、回收和配方上防止废料产生，而且要
对环境友好，在经济上可行，同时能支持社会生活质量的改善。
2.生命周期分析 开发生命周期分析手段，将化学产品在整个生命周期中不同的加工途径和操作条件下对
环境产生的影响进行比较。
需研究的课题：为了进行比较，所需数据的数量和质量都要进一步提高和改善，以便能用于生命周期中各
项指标进行比较和评价，需要更好地了解生命周期分析的方法，其中包括生命周期数据库、结果的转述及应用。
3.毒性学 要了解各种化学物质在化学键的形成步骤和加工工艺形成过程中投入和产出的毒性危害的影
响，毒性问题已是化学工业关注的重要领域之一。
需研究的课题：①开发关键性手段来提高在人体和环境中化学品的结构和功能关系的了解，它包括计算机
和基因学的途径；②开发信息交流的方法，有效地将它从专业科学部门和阶段性研究转移到产品设计的应用中
去。
4.可再生化学原料 从生物质转化成化学品——包括从各种植物在可再生的基础上衍生成可利用的有机
物。可再生基础包括能源作物和树木、农业食品和饲料作物、农业作物废料、动物废料、城市垃圾以及其他废
物等。
需研究的课题：①开发由生物质衍生的化学品系列，为研究部门提供该物质达到最终目标的道路；②从木
质素类和纤维素开发现在所用的基础化学品，如简单的脂肪烃和芳烃以及其他基础性的新化合物；③改进生物
质加工工艺（包括预处理和破碎工艺），将生物质材料转变为化学产品，进一步了解生物质变换工艺中的基础
性化学途径以及分离和萃取工艺，从生物质中提取基础化学品。
5.可再生燃料 开发未来的燃料替代物首先应从可再生资源制备着手，如生物质、废物填埋产生的气体、
风能、太阳热能和光电技术。
需研究的课题：①在太阳能技术方面，降低光电系统生产中的成本和对环境的影响，直接应用太阳能经济
地分解水制氢，改进热传输液体，直接应用太阳能满足化学工业中的某些加热需要，提高太阳能发电的储存系
统；②开发生物质生产燃料同时得到化学原料，在各种可再生资源中，生物质是唯一的可以生产碳基燃料和化
工原料的可再生资源。
6.化学加工的能量强度 继续开发化学加工过程中高效利用能源的技术，在未来20年内化学加工将仍以
化石燃料作为主要的能源和原料，开发能效高的技术是关键性的挑战。
需研究的课题：①开发能效高、经济效益高的化学分离技术，特别是对蒸馏的高效替代技术；②开拓生物
技术和其他新兴技术方案，研究开发降低生产成本、提高稳定性并发现具有更重要特性的催化剂；③更好地了
解磨擦、润滑和表面作用的机制，这些方面的能量损耗约占能源用量的1/3。
7.CO2的分离、捕集和利用 开发更有效的技术和战略来管理人们活动中产生的CO2，未来20年内此项挑
战尤为重要，即使在今后应用碳基燃料时仍然十分重要。
需研究的课题：①开发提高能源和经济效率的技术，从尾气和大气中分离CO2；②开发CO2捕集压缩技术，
使用压缩存贮CO2进行地质变化具有技术可行性；③开拓利用低价、无毒和可再生CO2作为新材料的原料或作
现有化学品（如尿素、水杨酸、环状碳酸酯和聚碳酸酯等）新的生产路线。
8.可持续性教育 改进和提高社会各个层次的可持续性科学和文字材料。化学和相关工程学中新内容必须
包括可持续性科学及其应用的跨学科教育，要进一步了解地球系统科学和工程学、生态学、绿色化学、生物地
质化学、生命周期分析和毒性学。
需研究的课题：①为教育者提供专业性学习和开发机遇，能对可持续性进行更好的研究和教学；②确保专
业社会能集合可持续性、绿色化学和工程的概念，融入标准的测试论证和确认程序；③二级和三级相关教育课
程要与可持续性概念协调一致；④为现任和未来的经理及管理员人员提供专业发展机遇，在公司年度业绩目标
和发展战略中要有可持续性的目标和方向。
绿色化学和工程
为了达到可持续性的目标，绿色化学和工程为化学工业提供了现实可行的途径。
1.绿色化学的12条原则
（1）预防废物产生；（2）设计安全的化学品和产品；（3）设计危害性小的化学合成；（4）应用可再生原料；
（5）应用催化剂，不用化学计量的反应物；（6）防止化学衍生物；（7）原子经济最大化；（8）应用安全的溶
剂和反应条件；（9）提高能源效率；（10）设计的化学和产品要在用后能分解；（11）实时分析防止污染：包括
工艺过程中实时监测和控制，防止合成中副产物产生；（12）减少潜在的事故，设计的化学品及其形态要尽量
减小潜在危险。
2.绿色工程的10条原则
（1）应用系统分析和集成环境影响评价手段，全面设计和建造工艺及产品；（2）保护和改进自然生态系统，
保护人们健康和生活；（3）在所有工程性活动中应用生命周期思维；（4）确保输入和产生的物质和能源本身都
是安全的；（5）减少自然资源损耗性的使用；（6）尽力防止废物产生；（7）开发和运用工程性解决方案中要考
虑当地地理和文化等情况；（8）要超越当前和运用技术创建工程性方案，提高创新技术达到可持续性发展目标；
（9）在开发工程性方案中要积极主动与社区和相关方面联系；（10）更有责任向社会通报绿色工程的实践情况。
但是，根据RAND研究，绿色化学和工程实施中主要存在以下4方面的障碍：①缺乏研究、技术开发和新
工艺工程；②工业基础性设施和集成障碍；③需要前期投资；④缺少通过法规、优惠政策和政府采购等手段进
行协调。
推动可持续化学的实用科学和技术
要使化学工业能更有效地实施可持续发展，需要跨学科、跨产业和超越地缘界线的科学、技术及相互协调
的战略路线，同时也需要有新的科学开发和效率更高的评价工具或手段。要实施绿色化学和工程需要具备以下
能力：
①有效地形成化学键；②选择溶剂；③控制热的条件；④纯化和回收化学产品；⑤开发分析方法；⑥配制
产品；⑦对化学反应建立模型；⑧要在环境温和友好方式下进行以上工作。
要用生命周期分析方法评价在各种操作条件下产生的产品的环境行为，同时要开发能提供化学品和化学混
合物毒性数据的方法，并能进行集中的数据库建设，开展上游、下游和周边相关化学品的数据收集和编制，同
时在各公司和各国之间进行数据交换，建立网络系统。
化石燃料的替代性原料
根据美国能源信息管理中心（EIA）最近分析报告，“2025年前石油供应可以满足世界需求，世界石油生产
的峰值不会在2030年前到来”，并估算天然气可正常供应60年，煤炭则超过100年，但是地缘政治、气候变
化、法规管理等将会影响市场供应。从长远看，替代性的原料将是生物质。为了研究开发可以工业化的替代化
石燃料的新原料，需开拓一些新的研究领域，这些都要通过生命期分析和道德及社会方面的风险评价，经过研
究提供符合可持续性的功能。
1.需要有一个由生物质所衍生的材料系列 从生物质基础研究木质素化学，重新考虑纤维素化学，提出可
能的起始化学品系列供研究，从而作为起始点开发替代途径以取得所需的最终材料。
2.未来燃料的替代物 这些替代性燃料可能由以下几方面的开发中产生：氢、废弃物填埋发生气、利用生
物质的燃料电池、风能、太阳能和光电技术以及将燃料和原料进行综合生产的生物炼厂等。
3.工艺过程化学的集成 化学企业除了要开发未来的燃料替代物，还要加速审视自己的技术，要能完全地
将生产活动进行集成，降低对能源的需求，充分利用废料，拓宽产品的应用，并将其能集成于工艺过程之中。
4.开发平台化学品（糖、木质素等） 这些化学品都是从生物质而来，可以成为基础性的起始化学产品。
需要有替代性手段生产基础性的通用化学品（如简单的脂肪族和芳香族化合物），从化学方面看，需要从化石
类烃类转化进行演变。还需要对从糖、淀粉、木质素和纤维素生产各种原材料进行研究，从而能从生物质获取
工业用的原材料。
5.了解基础性化学工艺过程 将平台化学品转化为最终生产工艺过程 从未来起始化学品系列进行开发，
化学企业要认识起始化学品和生产这些化学品的技术同样重要，首先要进行“破碎”技术工艺，使起始的生物
质成为开发平台化学品的原料。
6.了解基础性分离工艺和萃取工艺 不论从何途径取得的平台化学品，都需要从很复杂的混合物中分离出
来，因此需要有先进的分离化学，特别是水溶液分离和浓缩技术。许多平台化学品都存在于浓度很稀的混合物
（主要成分是水）中，在利用生物质生产平台化学品时其中水是一个须要关注的问题，水的来源、质量和处理
在从生物质生产化学品过程中有许多关键点要研究。
化学工业的能源强度问题
降低化学工业的能源强度是确保化学工业可持续性的重要内容。化学工业要继续依靠化石燃料，就要考虑
从储量较少的油气转换为储量大的煤，这就使碳的管理非常重要。总之，不论化学工业应用什么能源，开发能
效高的技术是非常必要的，主要应考虑以下研究领域：（1）开发能效更高的分离工艺；（2）利用可以降低能耗
且提高选择性的催化剂、生物技术和其他新型技术；（3）提高生物燃料和生物原料生产的能源效率，如要有高
效的生物质原料工艺回收半纤维素和糖来制造含氧化合物；（4）开发效率高的润滑剂；（5）改进太阳能和其他
可再生能源的应用；（6）在CO2分离捕集和应用方面要进行突破。今后数十年内，化学工业还要应用化石燃料，
与此同时大气中CO2浓度和全球气候变暖问题又必须解决，因此要开发有效进行碳管理的技术和战略，这对化
学工业的可持续性非常重要。
该书中国化工信息中心图书馆有馆藏（分类号TQ-B，登记号EB6403）。