探索綠色化工技術(shù)在化學(xué)工程與工藝中的應(yīng)用

姚崇(臨沂市檢驗檢測中心，山東 臨沂 276000)

0 引言

化工產(chǎn)業(yè)在為居民生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供豐富化學(xué)產(chǎn)品的同時，也產(chǎn)生了大量的有毒有害物質(zhì)及難降解垃圾，嚴(yán)重危害生態(tài)環(huán)境和人們的身體健康。隨著近年來國民環(huán)保意識的崛起，有關(guān)部門逐漸加強了化學(xué)工程和化工生產(chǎn)的監(jiān)管力度，大力提倡化工行業(yè)節(jié)能減排及綠色化工技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用。在綠色化工技術(shù)已經(jīng)成為化工行業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略重要組成部分的背景下，化工領(lǐng)域研究人員嘗試改進現(xiàn)有的化工生產(chǎn)方式，最大限度的利用能源及生產(chǎn)原材料，使用更多的低毒性、無污染的催化劑，降低生產(chǎn)過程的能耗及污染，達(dá)到減少廢棄物甚至不產(chǎn)生廢棄物的目的。由此看來，綠色化工技術(shù)是加快化工行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要技術(shù)之一，也是改善化工行業(yè)負(fù)面影響的重要手段。

1 綠色化工技術(shù)與化學(xué)工程

綠色化工技術(shù)在傳統(tǒng)化學(xué)工程與工藝的基礎(chǔ)上，通過技術(shù)改良和原理創(chuàng)新，減少化工原料、反應(yīng)溶劑和催化劑的消耗，并降低中間副產(chǎn)物和生產(chǎn)過程中廢棄物，實現(xiàn)污染物零排放，降低化工生產(chǎn)對居民生活和環(huán)境造成的負(fù)擔(dān)。用資源-產(chǎn)品-回收資源的模式替代傳統(tǒng)的資源-產(chǎn)品-廢物的模式。21 世紀(jì)初，西方發(fā)達(dá)國家就已經(jīng)將綠色化工技術(shù)廣泛應(yīng)用于分析化學(xué)、合成化學(xué)和生物化學(xué)等領(lǐng)域中，并取得了較好的應(yīng)用效果。

1.1 綠色化工技術(shù)內(nèi)涵分析

綠色化工技術(shù)，又稱可持續(xù)化學(xué)，是化學(xué)和化學(xué)工程的一個領(lǐng)域，致力于產(chǎn)品和工藝的設(shè)計，以盡量減少有害物質(zhì)的使用和產(chǎn)生。環(huán)境化學(xué)則側(cè)重于污染化學(xué)品對自然的影響，而綠色化工技術(shù)則側(cè)重于環(huán)境化學(xué)的影響，包括防止污染和減少不可再生資源消耗的技術(shù)方法。綠色化工技術(shù)的首要目標(biāo)，即更有效地利用資源和更安全地設(shè)計分子、材料、產(chǎn)品和工藝，可以在廣泛的背景下實現(xiàn)。在日益關(guān)注化學(xué)污染和資源枯竭問題背景下，上世界90 年代，歐美等發(fā)達(dá)國家的科研人員開始了綠色化工技術(shù)的研究工作，同時環(huán)境保護署和自然資源部等相關(guān)部門著手制定了相應(yīng)的管理規(guī)范及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)志著化工行業(yè)環(huán)保問題從污染治理轉(zhuǎn)向污染物源頭控制。

1.2 化學(xué)工程

化學(xué)工程是利用化學(xué)、物理、數(shù)學(xué)和經(jīng)濟學(xué)原理有效利用、生產(chǎn)、轉(zhuǎn)化和運輸化學(xué)品、材料和能源的工程分支。化學(xué)工程將化學(xué)物質(zhì)、原材料、活細(xì)胞、微生物和能量轉(zhuǎn)化為有用形式和產(chǎn)品的大規(guī)模工藝。在工廠設(shè)計和運行的許多方面，包括安全和危害評估、工藝設(shè)計和分析、控制工程、化學(xué)反應(yīng)工程、施工規(guī)范和操作說明。化學(xué)工程在具體實施環(huán)節(jié)受到多種因素的影響，包括工藝條件、環(huán)境保護要求、政策法規(guī)、資金投入和安全標(biāo)準(zhǔn)等，這也就導(dǎo)致了在技術(shù)路線的選擇上無法完全按照環(huán)保和綠色的要求進行。

2 綠色化工技術(shù)在化學(xué)工程于工藝研發(fā)中的要求

綠色化工技術(shù)能夠降低化工生產(chǎn)造成的環(huán)境破壞，并全面清理化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的負(fù)面影響，將綠色化工技術(shù)充分融入化工生產(chǎn)中，對于實現(xiàn)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會，促進社會發(fā)展具有積極影響。

2.1 提升化學(xué)反應(yīng)選擇性

在化學(xué)工程的工藝選擇階段，應(yīng)首先強化各類綠色化工技術(shù)的科學(xué)應(yīng)用范圍；其次，需要創(chuàng)新綠色化工技術(shù)的實現(xiàn)手段，全面優(yōu)化技術(shù)路徑，使其更好地適應(yīng)綠色化工發(fā)展要求。所以，化工生產(chǎn)管理部門應(yīng)強化綠色化工技術(shù)的實際應(yīng)用效果，創(chuàng)造技術(shù)發(fā)展的氛圍，實現(xiàn)綠色化工的基本發(fā)展要求。提升化學(xué)反應(yīng)選擇性是實現(xiàn)綠色化工生產(chǎn)的基本前提，在技術(shù)應(yīng)用階段，提升化學(xué)反應(yīng)選擇性需要和提升資源和能源的利用效率結(jié)合起來，加強化工生產(chǎn)的經(jīng)濟效益。例如，在石油化工生產(chǎn)階段，優(yōu)化氰化物和烴類使用方式，降低此類易氧化物質(zhì)在反應(yīng)中氧化的概率，減少污染物產(chǎn)生。

2.2 科學(xué)規(guī)范使用化工生產(chǎn)原材料

化工生產(chǎn)原材料的使用是綠色化工技術(shù)研究的熱點領(lǐng)域，通過科學(xué)的優(yōu)化化工原料種類及用量，提升反應(yīng)原料質(zhì)量與配比。化工生產(chǎn)原料的使用是現(xiàn)階段化工生產(chǎn)污染問題的集中表現(xiàn)，有關(guān)部門應(yīng)強化問題導(dǎo)向，加大對違規(guī)材料使用的查處力度。同時，采用財政補貼或者降稅等手段，引導(dǎo)化工企業(yè)使用綠色環(huán)保的生產(chǎn)原材料。較為常見的綠色原材料包括農(nóng)作物、有機質(zhì)等。例如使用竹子等天然植物纖維和蔗渣、麥稈、稻草等農(nóng)業(yè)有機質(zhì)作為醛、醇、酮、酸等物質(zhì)的原材料，能夠大幅降低難降解廢棄物的產(chǎn)生。與此同時，有機質(zhì)廢棄物結(jié)合發(fā)酵工藝，可產(chǎn)生生物質(zhì)燃料，這都是綠色化工技術(shù)的典型案例。

2.3 合理選用化學(xué)催化劑

在絕大部分化學(xué)反應(yīng)中，催化劑的使用能夠提升反應(yīng)速率、降低反應(yīng)能耗，催化劑是化工生產(chǎn)中的重要材料。在綠色化工技術(shù)的研究與應(yīng)用過程中，開發(fā)無毒無害、綠色環(huán)保的新型催化劑是化工催化劑研究的重點。南京大學(xué)科研團隊提出使用烷基化固態(tài)催化劑催化烯丙基醇類化合物，可實現(xiàn)在無溶劑條件下實現(xiàn)二碳基化合物的烷基化，簡化了反應(yīng)步驟，同時催化劑可循環(huán)使用，試驗表明同一批次催化劑在參與四次催化反應(yīng)后，回收率仍能保持在84%以上。

3 綠色化工技術(shù)在化學(xué)工程與工藝中的應(yīng)用

3.1 清潔生產(chǎn)技術(shù)

清潔生產(chǎn)技術(shù)的目的是實現(xiàn)四無生產(chǎn)過程，及無害、無毒、無廢棄物、無污染，主要的技術(shù)包括綠色催化技術(shù)、熱輻射加工技術(shù)和臨界流體技術(shù)等，在海水淡化、冶金加工、垃圾處理、煤氣化、印染等多個行業(yè)取得了較好的應(yīng)用成果。

以海水淡化為例，我國水資源相對緊張，尤其是東部沿海城市，水資源需求量逐年攀升，如何能夠在較低成本下實現(xiàn)海水淡化，能夠極大緩解東部發(fā)達(dá)城市的用水緊張局面。同時，在海水淡化過程中，可獲得一定量的氫氧化鎂，生產(chǎn)過程不產(chǎn)生二次污染，成本相對低廉，是一種具有廣闊發(fā)展前景的清潔化工技術(shù)。

3.2 生物技術(shù)

生物技術(shù)主要涉及農(nóng)業(yè)與作物生產(chǎn)、醫(yī)藥保健、工業(yè)與其他產(chǎn)品四個主要的工業(yè)領(lǐng)域。生物技術(shù)包括基因工程、細(xì)胞工程、微生物反應(yīng)和酶工程等細(xì)分領(lǐng)域，主要應(yīng)用于生物化工和化學(xué)仿生工程中。

(1)生物酶作為一種生物體內(nèi)發(fā)揮催化作用的高效催化劑，能夠在較為溫和的條件下快速實現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)，同時具有突出的轉(zhuǎn)移性，可廣泛應(yīng)用于生物化工技術(shù)中。

(2)生物膜技術(shù)作為一種生態(tài)環(huán)保的介質(zhì)分離手段，在水處理、大氣污染物治理中應(yīng)用取得了較好效果。

(3)在微生物制有機產(chǎn)品領(lǐng)域，利用高效的生物催化劑，能夠提升啤酒、牛奶等產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化率，同時能夠改善農(nóng)業(yè)制品的品質(zhì)。

(4)在采礦業(yè)中，部分高價值的金屬礦物可使用生物浸出的方式，得到純度較高的金屬單質(zhì)，同時該種技術(shù)避免了傳統(tǒng)重金屬煉制過程的高耗能、高污染問題。該項技術(shù)也在有價值廢棄物回收中廣泛使用。

(5)最后，生物信息學(xué)將生物技術(shù)和計算機技術(shù)結(jié)合起來，借助于計算機快速處理海量數(shù)據(jù)的能力，實現(xiàn)了生物信息的分析與編輯。生物信息學(xué)在蛋白質(zhì)組學(xué)和功能基因?qū)W中發(fā)揮了重要作用，能夠在不產(chǎn)生污染物的前提下，大規(guī)模生產(chǎn)蛋白質(zhì)和功能團等產(chǎn)物。

(6)藍(lán)色生物技術(shù)是開發(fā)利用海洋資源中的主要生物技術(shù)之一，該技術(shù)以開發(fā)海洋資源為目的，可通過藻類的光合作用生產(chǎn)植物油，也可實現(xiàn)海洋植物的馴化與微繁殖過程的精準(zhǔn)控制。

3.3 生產(chǎn)環(huán)境友好型產(chǎn)品

現(xiàn)階段的工藝技術(shù)和市場需求都具備了開發(fā)環(huán)境友好型化工產(chǎn)品的條件，環(huán)境友好型產(chǎn)品是綠色化工技術(shù)的重要體現(xiàn)。環(huán)境友好型產(chǎn)品指的是在化工產(chǎn)品在生產(chǎn)、使用和后期處理過程中，完全不會造成環(huán)境污染的化工制品，從另一個角度分析，就是從生產(chǎn)到廢棄物處置的全流程環(huán)境友好。

例如，汽車和汽油的使用在提升居民生活便利和工業(yè)生產(chǎn)能力的同時，也會帶來嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，為此，部分研究人員開發(fā)了環(huán)保型汽油或者是生物質(zhì)燃料，該種燃料在燃燒過程中不會產(chǎn)生氮氧化物和硫化物。另一方面，可降解塑料袋也屬于環(huán)境友好型產(chǎn)品，在兼具方便實用的基礎(chǔ)上，能夠在較短時間內(nèi)分解，且分解產(chǎn)物不會導(dǎo)致環(huán)境破壞。

3.4 全面優(yōu)化化工工藝流程

在傳統(tǒng)的化工企業(yè)發(fā)展過程中，多使用單線供能方式，及使用單一的能源供應(yīng)設(shè)備對全生產(chǎn)流程提供能源，部分反應(yīng)過程需要在高溫高壓環(huán)境下進行，為了滿足此類設(shè)備和反應(yīng)過程的需求，往往導(dǎo)致熱能的散失和浪費。為此，化工企業(yè)需要深入分析不同化工反應(yīng)過程的熱能需求，重新規(guī)劃反應(yīng)能源分配關(guān)系，更多的使用聯(lián)合加熱方式，控制能源的散失，提升能源綜合利用效率。例如，使用變頻技術(shù)替代傳統(tǒng)的定頻技術(shù)，將固定頻率的電機改造為變頻電機，盡力將能量供給曲線和反應(yīng)過程能源需求曲線擬合，在反應(yīng)中斷或者條件提升過程中，通過頻率調(diào)節(jié)，減少能源損失。

另一方面，受到企業(yè)技術(shù)儲備和經(jīng)濟效益的限制，多數(shù)化工企業(yè)中進行的化學(xué)反應(yīng)是不完全的，對于化工生產(chǎn)過程來說，廢水中的殘渣和固相顆粒隨著反應(yīng)時長的增加，會逐漸積累，可進行專門的收集收集和資源回收。對于具有一定經(jīng)濟價值的中間產(chǎn)物，既可以重新加入化學(xué)反應(yīng)過程中，也可以出售給需要的其他單位，提升資源的綜合利用效率。

4 結(jié)語

文章研究在深入分析綠色化工技術(shù)內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，重點探討了綠色化工技術(shù)在化學(xué)工程于工藝研發(fā)中的要求，指出提升化學(xué)反應(yīng)選擇性、科學(xué)規(guī)范使用化工生產(chǎn)原材料和合理選用化學(xué)催化劑是發(fā)展綠色化工技術(shù)的必然要求，并進一步分析了清潔生產(chǎn)技術(shù)、生物技術(shù)、生產(chǎn)環(huán)境友好型產(chǎn)品和全面優(yōu)化化工工藝流程等綠色化工技術(shù)在化學(xué)工程與工藝中的應(yīng)用，對于指導(dǎo)化工產(chǎn)業(yè)升級和化工廠節(jié)能降耗具有重要的指導(dǎo)意義。同時也應(yīng)注意到，未來綠色化工技術(shù)還存在人才隊伍和規(guī)章制度建設(shè)方面的問題，應(yīng)從政府和國家監(jiān)督，一方面大力培養(yǎng)高技能的化工人才，尤其是跨學(xué)科人才，另一方面應(yīng)完善法律法規(guī)，加快淘汰落后產(chǎn)能和高污染生產(chǎn)線，同時通過政策引導(dǎo)和資金支持等手段，引導(dǎo)化工企業(yè)主動進行生產(chǎn)線升級和工藝提升。