化學中的清流–對環境友善的綠色化學

 
2005/12/08 陳永祥 | 中央研究院化學研究所
張裕昌 | 中央研究院化學研究所
李雲嫦 | 中央研究院化學研究所
趙奕姼 | 中央研究院化學研究所     15,857
 
綠色化學的重要性

在18世紀歐洲掀起第1波的工業革命後,大量的機器代替人力,造就人類文明的快速進步與發展。但是這些發展也衍生許多環境上的問題,例如污染的產生、能量與資源的浪費、對生態的衝擊、以及環境和氣候上的劇烈變化等等。

在人類的生活裡,舉凡食衣住行育樂各方面,幾乎都無法離開化學。試想,在家族慶生會上,大夥開心地交談和吃著美食,忽然小女兒說:「咦!這盒冰淇淋上面有好多看不懂的化學成分!」這時學化學的爸爸笑著跟大家說:「讓我們來舉例,在日常生活中不含化學成分的物質有哪些?空氣嗎?氧、氮都是化學物質中的純物質;水嗎?水也是一種化合物;花草茶?是含有多種香味的碳水化合物。由此可以了解我們都是生活在一個『化學』的世界裡。」

因此隨著綠色觀念的推廣、環保意識與永續生存發展概念的興起,「綠色化學」也成了這波工業革命中的一個重要議題。何謂綠色化學?綠色化學就是設計較安全的化學品或化學反應過程來取代危險物質的使用,或是盡可能減少與消除這些危險物質對環境的衝擊。而為何要致力於研究綠色化學呢?由下列幾個因化學物質或製程而導致的現象,就可知道其重要性。

首先大家可能常聽到氟氯碳化合物及溫室效應氣體導致氣候的改變,造成暴雨、乾旱、海平面上升等,而影響全球(包括水生和陸生)生態系統的平衡。

其次是各類不易分解的化學物質,如重金屬鎘、鉛等,以及長續性化學物質如DDT、多氯聯苯、戴奧辛、有機錫等都具有毒性,進入生態環境後,會危害生態系中每一個物種的生存。

更何況那些可累積在生物體中與生物的「動情激素」(包括雌激素和雄激素)有類似化學結構,可以模仿或干擾生物的天然荷爾蒙活動的干擾物(稱為環境荷爾蒙干擾物)。近十餘年來,歐美地區發生有史以來最嚴重的海豹與海豚感染犬瘟熱病菌死亡、畸形青蛙死亡、雄性鱷魚的陰莖短小、雌性軟體動物出現雄性器官(稱為性變異)、以及人類男性精子數減少、發生攝護腺癌的機率增加等現象,都顯示生物族群(包括人類)的免疫系統及生殖系統所發生的問題,與環境荷爾蒙干擾物有密切關係。

更糟的是,透過母體懷孕和母乳哺育,母親會把體內的環境荷爾蒙干擾物傳給下一代,嚴重危及人類的健康。

由這些密切相關的現象可以了解,「綠色化學」對生物的永續發展有關鍵性的影響。阿那司塔在1998年曾提出12個基本法則來落實綠色化學的觀念,雖然有些項目在精神上有重複之嫌,但不失為相當周延的提醒。

綠色化學的發展

大家或許有許多疑問:我的化學反應是綠色的嗎?如何建立或設計綠色化學?是否有相關的資料可供查詢或參考?在美國環保署的網站上,有一個綠色化學專家系統,輔助使用者建立符合綠色化學的化學反應與製程。這系統仍在陸續開發中,雖不見得完整,但提供了化學家一個起點。此外,2001年的《綠色化學》(Green Chemistry)期刊中有兩篇論文討論相關的判定標準,也可當作參考依據。

基本上,為了合成某種化合物,不單只是設計一套合成步驟,而是必須發揮創意設計好幾套,以評估其利弊。因此,合成知識(包括化學合成、生物合成)的廣博、是否了解反應機制、對化學毒性的涉獵深淺等成了迎接挑戰的決戰點,這也意味著新世代化學家的養成重點會與目前有所不同。

關於「綠色化學」的研究、推動與實行,世界各國的政府機關、學術界已開始參與,並且設立相關獎勵,給予從事研究者相當的肯定。例如美國環保署於1996年設立一個美國總統綠色化學挑戰獎,每年都會針對3大領域(使用替代合成途徑、使用替代反應條件、以及設計較安全的化學品)評選出得獎者。中央研究院基因體研究中心主任翁啟惠院士,就曾於2000年榮獲這獎項的學術研究獎,以表揚他利用酵素進行有機合成,發展出安全無污染的新化學反應方式。

立法是另一種助力。菲律賓通過法案,未來會以當地製糖業生產的乙醇做為汽油中的添加成分,可以想見相關的研究與產業,將在當地發展生根。另有許多國家及地區(如美國許多州、中國大陸許多省分、澳洲昆士蘭省、歐盟國家、日本),也立法推動使用E10及E20汽油(E10表示燃料中有90%汽油及10%乙醇,E20則表示乙醇成分是20%)。使用E10乙醇汽油不必改裝車輛,又可以降低廢氣排放量,在石油價格節節高漲的今日,世界各國紛紛進行規模不一的推廣活動。

巴西是世界上最早立法推廣乙醇汽油的國家,目前不販賣一般汽油,僅販賣乙醇汽油(乙醇成分是25%,汽車需改裝),不但降低環保問題,減少對石油的依賴,還成為乙醇汽油的輸出國,利用其豐富的糖業資源,養活廣大的農民人口。台灣過去也曾是糖業輸出大國,不知道在全世界找尋替代能源的這波熱潮當中,是否能為農民找回一些存活之道。

許多專業團體與企業投注了相當的心力在綠色化學的研究與發展上,例如美國化學會所成立的綠色化學學院,除了設立一些獎項外,還提供許多綠色化學的資訊,如基本教育、資源與資料等等,大力推廣綠色化學。英國皇家化學學會於1999年發行《綠色化學》期刊,其中的文章主要強調如何針對環境保護或降低衝擊,提供改善的方法。

全球知名的杜邦公司,更是投入大量的人力與資金,從事研發某些常用化合物的替代品,以減少對環境的負面衝擊。其中一項最重大的成就,就是以氫氟碳化物取代氟氯碳化物,大幅減緩臭氧層被破壞所帶來的環境衝擊,此舉獲得美國總統頒贈的最高榮譽-國家科技獎章。美國明尼蘇達大學目前也發展了一個以避免環境污染物為主的資料庫,其中提供兩種資訊,一是可用細菌或微生物催化的化學反應,另一是生物分解途徑的相關資訊。

目前有關綠色化學的研究相當多,不勝枚舉,下列舉幾個比較新奇有趣的方向,供大家參考。

離子液體 把餐桌上的鹽巴(氯化鈉)以高溫融化後,用途或許不大,但有些在常溫下就呈現流體狀態,完全由離子組成的有機鹽類(離子液體,ionic liquid),雖然外觀看來像水一般地平凡無奇,卻可能是化學研究與工業上用來取代一些有毒有機溶劑的綠色環保溶劑。

離子液體的特性包括幾乎沒蒸氣壓力,具熱穩定性且不可燃,以及對大部分有機或無機金屬化合物都有極佳的溶解度。有機溶劑常使化學家受限於溶解度的問題,且其高揮發性與可燃性易造成污染與危險,離子液體提供了一種完全不同的選擇。又由於熱穩定性佳,把產物蒸餾出來後,離子液體還可重複使用,達到溶劑減量的目的。目前離子液體大都應用在分離技術、合成化學、材料化學等方面。

超臨界流體 所謂超臨界流體,是指物質處於其臨界溫度和臨界壓力以上時,形成既非氣相也非液相的另一均勻相,稱為超臨界相。這種均勻相具有液體和氣體的優點,包括高擴散性、低黏稠度和極高的溶解度等等。

超臨界流體技術已廣泛應用在材料清洗、天然產品萃取和環境復育等諸多領域,在化學合成上研究也有相當久的歷史。常用的超臨界流體是二氧化碳,而超臨界二氧化碳之所以引起廣泛的注意,主要在於它的臨界溫度近於室溫,在減壓狀態下可以輕易地與其他化學物質分離,沒有殘留的問題,是一種「乾淨」的溶劑。低咖啡因咖啡豆的製造過程,就是以超臨界二氧化碳取代有機溶劑,不僅可去除咖啡豆中的咖啡因,還可保留咖啡香味。台灣市面上也有以超臨界二氧化碳為淨米溶劑的「科技米」。

氫氣電池  有一則與綠色化學中積極研究的燃料電池有關的趣聞。以氫氣為燃料的電池動力車會釋放出水蒸氣而非二氧化碳及其他有害氣體,是大家耳熟能詳的事。除了排出的廢氣成分不同外,其安靜無聲的特性也令人期待。不過2005年最新發表的燃料電池摩托車(目前造價仍高達8,300美金),由於車子在行進間太過安靜,製造商為了安全上的考量,特別加裝了噪音裝置來模擬一般引擎的聲音,讓使用者在需要知會其他路人他的存在時,可以打開噪音裝置以保護自身與他人的安全。由這則新聞可以想見,當有一天替代能源取代了石油時,世界將與現今有很大的不同。

國內現況與未來展望

在世界各國紛紛投入綠色化學的推動與綠色環境的改造之際,國內也積極在推動相關的措施。現在國內的產業界基於環保的考量,也嘗試使用綠色生產機制,以求達到節省能源、資源再利用與減少污染等目的,朝「綠色產業」的方向努力。此外,國際環境管理標準系統(ISO 14000)的發展,也有助於環保署與經濟部工業局推動台灣的綠色產業。

台灣半導體產業的龍頭台積電,就積極推動多氟碳化物減量排放的計畫。鋼鐵製造業的耗水量一向非常驚人,但是中鋼已經達到97%的用水回收再使用率。而在染料製造業中,過去多以鐵粉進行還原反應,產生了大量鐵污泥的廢棄物,針對此問題永光化學公司成功研發加氫還原技術,取代原有的鐵粉還原法,不僅解決了廢棄物的問題,更減少生成物的流失,提升產率。

廢棄塑膠袋的處理不論採取掩埋(分解約需450年)、燃燒(產生大量熱量5,500 ~ 11,000 kcal/kg)或是回收再製,都有其困難與缺點。從衣索比亞這個不生產石油的非洲國家也使用大量塑膠袋來看,全球人類已廣泛使用塑膠袋,但其使用後的處理不易,對環境有極負面的影響。

近來有專家發展了利用農產品當原料,並以細菌為媒介,製造出生物可分解的塑膠袋(如NodaxTM),不但可降低對石化原料的倚賴,對生態永續有益,相信對第三世界國家的經濟發展也有所助益。台灣也有廠商生產生物可分解的玉米環保袋,這是一種使用天然玉米當主要原料,不含環境難以分解的泛用塑膠成分,燃燒無毒素,掩埋後可達60%以上自然分解的產品。

綠色化學的重要性是無庸置疑的,它提供了一套依循的法則,從起始端的製程,改變反應程序與強調能源和資源的節省,促使化學家發揮最大的創意,以解決目前人類所製造的污染與浪費的問題。落實綠色化學的執行,可以使化學成為保護環境、促進國家經濟與人類永續發展的先進學門。 

雖然目前已經有許多符合綠色化學規則的成功技術、新穎的合成方法與新開發的環保產品範例,但是與整個人類所處大環境的需求相比,這些還僅是一線曙光。綠色化學的推廣與實踐,有賴於這一代化學家對自身角色的重新認定,與新一代學子完善的教育養成。《美國今日報》一篇有關綠色化學報導的結語說得好:以往有心拯救地球的學子,到最後都變成環保運動人士,絕少變成化學家,但現在他們可以走進實驗室,以創造發明的方式來改變世界。