绿色分析在化工实验室中的作用

冯佳轩，周 川

（白银中天化工有限责任公司，甘肃白银 730600）

我国在最近几年里的发展十分迅速，经济实力不断增长，老百姓的生活水平得到了前所未有的提高。在生活水平提高的同时，公民的整体素质也在提升，人们对环境保护变得更加重视，环保意识的增强促使人们更加积极去寻求环保无害的科学技术。化学分析的整个过程是一个化学物质排放的过程，化学分析相当于一个排放源，对化学物质进行排放处理，在绿色分析技术被应用以前，原来的样品处理技术是十分落后的，对排放物的简单处理是不符合绿色生产原则的，通常会有大量的具有污染性的废气、废水、废酸被排放到自然界中，周围环境逐渐受到危害，进而导致化工分析人员的身体健康受到很大的威胁。这种处理方式与环保理念背道而驰。近些年，通过不断探索，绿色技术不断展现，绿色化学分析逐渐兴起，绿色化学分析现已成为绿色化学学科的重要组成部分。绿色化学分析可以减轻化工生产中所带来的污染，减少化学工艺对环境所产生的不良影响，已经成为分析化学主要的发展方向。

1 绿色化学在生活中的应用

1.1 绿色化学应用于洗涤剂

人们日常生活用到的洗涤剂在工业生产中需要保证其性能和经济效益，除此之外，必须对环境质量有所保障。一般来说，其表面活性剂是否对人体有伤害，排放到自然环境中能否造成污染是最值得关注的问题。在绿色化学中，研究其分子的结构和性能并对其进行设计，力求生产出的洗涤剂使用效果良好、对人体无害、对环境友好。新型绿色表面活性剂的研发是现在各大生产商的主要目标。在制造新型绿色表面活性剂时应当增加烷基多苷、醇醚羧酸盐、脂肪酸甲酯磺酸钠、脂肪酸甲酯乙氧基化物、葡萄糖酰胺等原料的用量。

1.2 水处理中的绿色化学

如果能将一次性直流的冷却水循环使用，将会极大节约水资源。可以通过在冷却水中加入稳定剂，使其变成循环冷却水，将绿色化学应用于其中，新型缓蚀剂是用铂酸盐代替原来的铬酸盐和重铬酸盐，用脂肪胺代替芳香胺，缓蚀剂的毒性就会极大降低，排放到自然界中也不会造成很大的污染。用聚天冬氨酸代替有机磷酸铬和磷酸盐也是绿色环保的方法。生活污水和工业排放的污水在经过绿色处理后，虽不可饮用，但可以用于农业生产，这样的水称为中水。水资源越来越紧张，通过绿色化学处理过的中水渐渐地被重视，在我国北京、上海等地先后建成了具有一定规模的中水生产装置。

1.3 有机物合成中的绿色化学

原子经济的概念是美国一位著名的有机化学家Trust 最先在1991年提出来的，认为有机物的合成中将每一个原子都利用起来，这种最大限度的原料利用所合成的才是高效有机物，每一个原子都与目标分子相结合，就能够实现零排放。目前在部分大型工业品中已经能够得到应用，如氢甲酰化反应、Ziegler-Natalie 聚合、从丁二烯和氢氰酸合成己二腈等都是原子经济性反应的典范，如图1所示。

图1 原子经济的举例

1.4 能源中的绿色化学

生物物质如果可以作为化学反应的原料和能源，那么将极大推动绿色化学的发展，全球光是绿色植物每年可以产生的碳氢化合物就能够达三百亿t 以上，换算成可用能源相当于八万亿t 煤或八百亿t 石油，这些生物物质在自然界中是十分容易被降解的，对环境保护不会构成威胁。淀粉和纤维素降解后的产物是葡萄糖，经过细菌和酶的催化后，能够得到所需的化学物质。Texasa&m 大学的Holtzapple 教授用石灰消化处理废弃的生物物质，再发酵后能够得到所需有机化学物质。

2 化工实验室中的绿色分析技术

2.1 样品前的绿色分析技术

在化学生产中，起始原料是重要的一部分。把这一要点做好，那么绿色分析的工作就做好了一半，这一环节可以用到很多的先进技术，包括微波消解、萃取、超临界流体的萃取等。关于微波萃取，自然界的所有物质都有着自己独特的特点，所以不同的物质拥有着自己特定的介电常数。微波可以加强萃取，利用介电常数的不同引起的对微波能量吸收的不同，把热能以各种强度向周围传递，反应基础原料会有选择地吸收能量，就可以萃取出来想得到的物质，在这样的操作中，所用到的一些设备是至关重要的，要用到微波萃取设备和能够控制温度的配件，极性溶剂对于萃取来说也十分重要，需要聚四氯乙烯为材料制成的制样杯或样品杯。这种先进的方法和原来传统的方法相比，使用微波萃取技术所需要用到的萃取设备更为简洁，但是萃取效率却是高效的，应用范围十分广泛，它的优点有很多，节省能耗、测定过程迅速，并且污染极小。

将样品置于微波磁场之中，在很高温度下再加上超高压力的作用对样品进行消解，氧化剂的氧化能力一步步地增强作用于样品之上，样品表层被作用之后会出现裂痕，不断将新的接触表面展现出来，样品的消减速度加快，所用的化学试剂也能最大程度地减少，节约用量，节省消减所用时间，这是微波消解处理技术的巨大优势。最后的超临界流体萃取也具有良好的效果，它所利用的是超临界流体的溶剂性能，能够将特定的目的成分进行分离，将其提取出来[5]。

2.2 分离富集技术的运用

分离富集技术是一项重大的技术，在化工实验室中是不可或缺的，分离富集技术也是一项良好的化学绿色分析技术，固相模萃取技术和固相微萃取技术都是属于这项技术范畴。关于固相模萃取技术，是由液至气把水相的物质萃取成为气相，萃取的过程一定要严格把关，载气流的顺序是十分重要的，它最开始要穿过的地方是水相，水相中有纤维膜细管浸入，载气流就是从这里面通过，紧接着通过的部位是气相色谱仪，在这个过程中，载气流向纤维细管中一步步前进，带入到吸附单元中进行富集，吸附完的最后一步就是进入到分析单元中进行分析。分离富集的技术功能对挥发性非极性和半挥发的有机物绿色分析十分起作用。

在20世纪下半世纪有很多的科学技术兴起，固相萃取技术在20世纪的70年代被众多科学家开发出来，所需化学样品两个不同相之间有着不同的分配差别，如固相和液相之间各有各的分配系数，如果所需要的是液体样品，可以通过过滤的方法，让样品原料经过固体吸附装置，那么不需要的固体成分就会被吸附去除，需要得到的被测样品就会不断富集。

固相吸附剂有三类，这三类分别是极性、非极性、离子交换的三相，随着这项技术的不断完善，原来传统的液体和液体的萃取方法已经被其完全取代，固相萃取技术不断进步，能够应用领域也在不断拓展。到了20世纪90年代，一项新的技术被开发出来，这就是固相微萃取技术的诞生，这项先进的技术集浓缩、萃取、解吸为一体，是一套完善的化学样品处理技术。

固相微萃取技术有着更加优秀的地方，比起那些传统的萃取方法，固相微萃取技术的灵敏度更高，装置的体积更小，可以节省空间，使用过程的周期也很短暂。直接萃取的方式较为简单，对气体样品很适用，但是也可以用来萃取纯度比较高的液体样品。顶空萃取的处理方式较为复杂，一般固态的样品和纯度不高的液态样品都用此种方法，且十分适用。这项技术的运用，使环境样品中易挥发的有机化学物质的测定得到了很好的技术保障，在固体、液体、气体等各种各样的样品分析中被深度应用，应用范围也越来越广。

2.3 测试分析技术的运用

要做到全面的绿色分析，化工工艺生产的每一个环节都要紧跟步伐，在化工实验室中有很多的地方都需要进行完善，测试技术绿色分析也应当努力做到位，现在所用到的最主要的三项可行先进测试技术分别有X 射线荧光技术、近红外以及顶空气相色谱分析三项技术，它们各有各的特色，这些测量技术很大程度地改变以往化学分析技术，使这些技术的运用逐步靠近绿色分析，在提高了工作效率的同时，也除去了化工实验室所带来的污染问题，使化工工艺的质量不断攀升。接下来将简要阐述X 射线荧光技术和近红外与顶空气相色谱技术两大技术的应用原理。

（1）技术的优点是重现率高，测量速度快，测量范围大，测量的精准性十分高，样品在受到各种高能离子源和紫外线的同步照射时，所要测的样品中的元素出现的特征是X 线特征，给予一定适宜的条件，就能发现X 线的强度和样品中的元素含量呈某种可观察到的线性关系，把握这种关系，就能更加直接地对样品进行定性定量的分析。这样的分析方法，在过程中没有任何原料的消耗，没有任何污染物的产生，便能清晰地掌握样品分析的理论依据。

（2）近红外技术的原理是利用分子振动中的非谐振性，通过这种振动，使分子从基态跃迁至高能态，这种现象记录为含氢基团合频与倍频吸收，这种吸收强度是十分微弱的，样品可以不用稀释，直接利用原来的样品进行测定分析，利用这个优点还能对固体粉末实施漫反射的分析。这样的分析方法预处理是十分简单的，在预处理过程中的优点是除去了预处理中废液、废渣的挥发导致的环境污染问题，在对样品进行分析的同时是不能将样品进行损坏的。

近红外技术已经得到极大推广，在化工工艺中广受好评。与近红外技术相对应的是顶空气相色谱法，它是用密闭的容器来盛装所测的易挥发样品，将整个容器至于恒定温度的环境之中，顶部的气体会与所测样品达到一个平衡状态，将顶部的气体取出进行色谱分析，通过这种方法，就会知道原样品中易挥发的物质的组成含量，水质、食物、生物材料的样品分析都离不开顶空气相色谱技术的应用。

3 结语

我国的经济在持续地增长，各个项目的产业都在进步，化工作为一项重要产业，其规模不断扩大。如果仅仅只扩大规模，而不改进生产流程，那么工业生产技术所带来的后果是极其恶劣的，长久下去是很难挽回颓势。只有将绿色环保的理念贯彻到底，在国家政策的带领下，实行可持续发展的方法，在化工工艺的生产中有效控制有害有毒物质的释放，降低生产对环境质量的威胁性，才能成为新时代生产先锋。化工化实验室中，将绿色分析应用到底，给环境和人员健康做好维护，绿色分析已经成为现代化学分析发展的主要方向，是环境友好的重要因素。