西湖大学王蕾、中科院化学所张军团队ACS Sus. Chem. Eng.：基于生命周期理念的绿色化学框架构建与应用（附招聘信息）

绿色化学理念实践的目标之一是期望通过消除或减少化学过程和产品对环境的负面影响，促进可持续发展目标的实现。在 12 条绿色化学原则中，倡导使用可再生原料和更安全的溶剂尤为重要。纤维素作为最丰富的可再生资源之一，因其生物相容性及可生物降解性，具有巨大的应用潜力。然而，由于纤维素结构高度有序、且具有强大的分子内外氢键网络，传统溶剂对纤维素的溶解能力非常有限，限制了其高值化应用。近年来，离子液体（ ILs ）因其良好的溶解能力，逐渐成为纤维素溶解和再生的主流备选溶剂。 ILs 因较低蒸汽压、较宽电化学窗口等特性被称为绿色溶剂。然而，绿色是一个多元的概念，并且关于 ILs 的绿色性仍缺乏基于其整个生命周期的综合评估方法框架。 近日，西湖大学王蕾团队和中国科学院化学研究所张军团队基于生命周期理念提出综合、定量的评估框架 “GREENNESS” ，对纤维素溶解再生领域的三种典型 ILs （ AmimCl 、 BmimCl 和 EmimOAc ）进行全生命周期环境影响的定量评价，评估其绿色性，指导 ILs 在绿色化学与化学工程的选择和应用 。

图文导读

2. GREENNESS 框架

基于全面的生命周期思想，框架包括 ILs 的原料获取和生产的上游阶段，以及 ILs 进入环境后的下游阶段并聚焦对淡水生态环境和人类健康产生的影响。此外，框架中还展示了构建 LCI 方法的推荐层级，并给出了下游阶段 USEtox 建模逻辑。与 CHEM21 或 GREEN MOTION 等其他溶剂筛选方法不同， GREENNESS 框架提供了一种从资源消耗、环境影响和生态毒性多个方面衡量溶剂绿色度或可持续性的量化工具。通过 GREENNESS 可对 AmimCl 、 BmimCl 和 EmimOAc 进行全面评估，进而识别其整个生命周期中关键的环境热点 。

图 1 GREENNESS 框架

针对 ILs 的上游生产，生命周期树方法被用于建立生命周期清单（ LCI ）数据，以追溯每个前体物质的生产过程，直到其清单数据在 LCA 数据库中可用。生产数据来自于实际生产调研和过程模拟。对于 ILs 的排放影响，我们针对缺少生态毒性数据的 AmimCl 和 EmimOAc 进行了基于藻、溞、鱼三个层级的生态毒性试验，结合三种 ILs 的物化性质及暴露因子，使用 USEtox 模型对三种 ILs 的生态毒性特征因子（ CF ）进行了完善。

根据三种 ILs 生产和排放的环境影响分析结果，三种 ILs 的绿色度（推荐度）排序为： AmimCl ＞ BmimCl ＞ EmimOAc 。对于三种 ILs 的上游生产，其环境影响主要来源于其前体物质咪唑衍生物，即 1- 甲基咪唑和 1- 乙基咪唑。由于咪唑衍生物生产中的胺类和醛类物质的物料输入以及热能和电能的需求，使得这类前体的生产造成了相当可观的环境影响。此外，三种 BmimCl 在的下游排放对于淡水生态毒性（ FAETP ）和人类非致癌毒性（ HTP non-cancer ）的影响显著。由于 BmimCl 的非挥发性、在水生系统中的较大的半衰期和的毒性作用，显著地增强了 FAETP 和 HTP non-cancer 影响类别指标，改变了仅从上游生产角度出发的溶剂排序，这显示对溶剂的环境可持续性进行评估时，考虑上游生产和下游排放的重要性。

图 2 1 kg AmimCl 、 BmimCl 及 EmimOAc 在 GREENNESS 评估框架下的贡献分析

此外，通过利用 EU Innovative Health Initiative 开发的 CHEM21 溶剂筛选方法进行评价，我们发现 AmimCl 、 BmimCl 和 EmimOAc 在安全、健康和环境三方面的评分各有不同，但经过标准之间的权重分配后，综合排名显示三种 ILs 均被归类为 “ 问题溶剂 ” 。相较之下， GREENNESS 框架在溶剂绿色评估中综合考虑了溶剂的多项参数，不仅包含固有特性，还涉及生产过程中化学品自身及前体物质的环境影响，涵盖了命运、暴露和效应机制等多方面内容，避免了评分系统中的权重问题，从而实现对溶剂可持续性全面、定量的评估。 尽管如此，该框架在应用中仍面临数据收集的限制，未来可考虑借助 AI 赋能手段打破新化学品毒性数据空白的壁垒，并加入更详细的经济性评估，以更好地推动绿色化学的可持续发展。