探索綠色化工技術在化學工程與工藝中的應用

姚崇(臨沂市檢驗檢測中心，山東 臨沂 276000)

0 引言

化工產業在為居民生活和工農業生產提供豐富化學產品的同時，也產生了大量的有毒有害物質及難降解垃圾，嚴重危害生態環境和人們的身體健康。隨著近年來國民環保意識的崛起，有關部門逐漸加強了化學工程和化工生產的監管力度，大力提倡化工行業節能減排及綠色化工技術的研發應用。在綠色化工技術已經成為化工行業可持續發展戰略重要組成部分的背景下，化工領域研究人員嘗試改進現有的化工生產方式，最大限度的利用能源及生產原材料，使用更多的低毒性、無污染的催化劑，降低生產過程的能耗及污染，達到減少廢棄物甚至不產生廢棄物的目的。由此看來，綠色化工技術是加快化工行業轉型升級的重要技術之一，也是改善化工行業負面影響的重要手段。

1 綠色化工技術與化學工程

綠色化工技術在傳統化學工程與工藝的基礎上，通過技術改良和原理創新，減少化工原料、反應溶劑和催化劑的消耗，并降低中間副產物和生產過程中廢棄物，實現污染物零排放，降低化工生產對居民生活和環境造成的負擔。用資源-產品-回收資源的模式替代傳統的資源-產品-廢物的模式。21 世紀初，西方發達國家就已經將綠色化工技術廣泛應用于分析化學、合成化學和生物化學等領域中，并取得了較好的應用效果。

1.1 綠色化工技術內涵分析

綠色化工技術，又稱可持續化學，是化學和化學工程的一個領域，致力于產品和工藝的設計，以盡量減少有害物質的使用和產生。環境化學則側重于污染化學品對自然的影響，而綠色化工技術則側重于環境化學的影響，包括防止污染和減少不可再生資源消耗的技術方法。綠色化工技術的首要目標，即更有效地利用資源和更安全地設計分子、材料、產品和工藝，可以在廣泛的背景下實現。在日益關注化學污染和資源枯竭問題背景下，上世界90 年代，歐美等發達國家的科研人員開始了綠色化工技術的研究工作，同時環境保護署和自然資源部等相關部門著手制定了相應的管理規范及技術標準，標志著化工行業環保問題從污染治理轉向污染物源頭控制。

1.2 化學工程

化學工程是利用化學、物理、數學和經濟學原理有效利用、生產、轉化和運輸化學品、材料和能源的工程分支。化學工程將化學物質、原材料、活細胞、微生物和能量轉化為有用形式和產品的大規模工藝。在工廠設計和運行的許多方面，包括安全和危害評估、工藝設計和分析、控制工程、化學反應工程、施工規范和操作說明。化學工程在具體實施環節受到多種因素的影響，包括工藝條件、環境保護要求、政策法規、資金投入和安全標準等，這也就導致了在技術路線的選擇上無法完全按照環保和綠色的要求進行。

2 綠色化工技術在化學工程于工藝研發中的要求

綠色化工技術能夠降低化工生產造成的環境破壞，并全面清理化學反應導致的負面影響，將綠色化工技術充分融入化工生產中，對于實現資源節約型、環境友好型社會，促進社會發展具有積極影響。

2.1 提升化學反應選擇性

在化學工程的工藝選擇階段，應首先強化各類綠色化工技術的科學應用范圍；其次，需要創新綠色化工技術的實現手段，全面優化技術路徑，使其更好地適應綠色化工發展要求。所以，化工生產管理部門應強化綠色化工技術的實際應用效果，創造技術發展的氛圍，實現綠色化工的基本發展要求。提升化學反應選擇性是實現綠色化工生產的基本前提，在技術應用階段，提升化學反應選擇性需要和提升資源和能源的利用效率結合起來，加強化工生產的經濟效益。例如，在石油化工生產階段，優化氰化物和烴類使用方式，降低此類易氧化物質在反應中氧化的概率，減少污染物產生。

2.2 科學規范使用化工生產原材料

化工生產原材料的使用是綠色化工技術研究的熱點領域，通過科學的優化化工原料種類及用量，提升反應原料質量與配比。化工生產原料的使用是現階段化工生產污染問題的集中表現，有關部門應強化問題導向，加大對違規材料使用的查處力度。同時，采用財政補貼或者降稅等手段，引導化工企業使用綠色環保的生產原材料。較為常見的綠色原材料包括農作物、有機質等。例如使用竹子等天然植物纖維和蔗渣、麥稈、稻草等農業有機質作為醛、醇、酮、酸等物質的原材料，能夠大幅降低難降解廢棄物的產生。與此同時，有機質廢棄物結合發酵工藝，可產生生物質燃料，這都是綠色化工技術的典型案例。

2.3 合理選用化學催化劑

在絕大部分化學反應中，催化劑的使用能夠提升反應速率、降低反應能耗，催化劑是化工生產中的重要材料。在綠色化工技術的研究與應用過程中，開發無毒無害、綠色環保的新型催化劑是化工催化劑研究的重點。南京大學科研團隊提出使用烷基化固態催化劑催化烯丙基醇類化合物，可實現在無溶劑條件下實現二碳基化合物的烷基化，簡化了反應步驟，同時催化劑可循環使用，試驗表明同一批次催化劑在參與四次催化反應后，回收率仍能保持在84%以上。

3 綠色化工技術在化學工程與工藝中的應用

3.1 清潔生產技術

清潔生產技術的目的是實現四無生產過程，及無害、無毒、無廢棄物、無污染，主要的技術包括綠色催化技術、熱輻射加工技術和臨界流體技術等，在海水淡化、冶金加工、垃圾處理、煤氣化、印染等多個行業取得了較好的應用成果。

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海水淡化，能夠極大緩解東部發達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，生產過程不產生二次污染，成本相對低廉，是一種具有廣闊發展前景的清潔化工技術。

3.2 生物技術

生物技術主要涉及農業與作物生產、醫藥保健、工業與其他產品四個主要的工業領域。生物技術包括基因工程、細胞工程、微生物反應和酶工程等細分領域，主要應用于生物化工和化學仿生工程中。

(1)生物酶作為一種生物體內發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化學反應，同時具有突出的轉移性，可廣泛應用于生物化工技術中。

(2)生物膜技術作為一種生態環保的介質分離手段，在水處理、大氣污染物治理中應用取得了較好效果。

(3)在微生物制有機產品領域，利用高效的生物催化劑，能夠提升啤酒、牛奶等產品的轉化率，同時能夠改善農業制品的品質。

(4)在采礦業中，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，同時該種技術避免了傳統重金屬煉制過程的高耗能、高污染問題。該項技術也在有價值廢棄物回收中廣泛使用。

(5)最后，生物信息學將生物技術和計算機技術結合起來，借助于計算機快速處理海量數據的能力，實現了生物信息的分析與編輯。生物信息學在蛋白質組學和功能基因學中發揮了重要作用，能夠在不產生污染物的前提下，大規模生產蛋白質和功能團等產物。

(6)藍色生物技術是開發利用海洋資源中的主要生物技術之一，該技術以開發海洋資源為目的，可通過藻類的光合作用生產植物油，也可實現海洋植物的馴化與微繁殖過程的精準控制。

3.3 生產環境友好型產品

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

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

3.4 全面優化化工工藝流程

在傳統的化工企業發展過程中，多使用單線供能方式，及使用單一的能源供應設備對全生產流程提供能源，部分反應過程需要在高溫高壓環境下進行，為了滿足此類設備和反應過程的需求，往往導致熱能的散失和浪費。為此，化工企業需要深入分析不同化工反應過程的熱能需求，重新規劃反應能源分配關系，更多的使用聯合加熱方式，控制能源的散失，提升能源綜合利用效率。例如，使用變頻技術替代傳統的定頻技術，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過程能源需求曲線擬合，在反應中斷或者條件提升過程中，通過頻率調節，減少能源損失。

另一方面，受到企業技術儲備和經濟效益的限制，多數化工企業中進行的化學反應是不完全的，對于化工生產過程來說，廢水中的殘渣和固相顆粒隨著反應時長的增加，會逐漸積累，可進行專門的收集收集和資源回收。對于具有一定經濟價值的中間產物，既可以重新加入化學反應過程中，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 結語

文章研究在深入分析綠色化工技術內涵的基礎上，重點探討了綠色化工技術在化學工程于工藝研發中的要求，指出提升化學反應選擇性、科學規范使用化工生產原材料和合理選用化學催化劑是發展綠色化工技術的必然要求，并進一步分析了清潔生產技術、生物技術、生產環境友好型產品和全面優化化工工藝流程等綠色化工技術在化學工程與工藝中的應用，對于指導化工產業升級和化工廠節能降耗具有重要的指導意義。同時也應注意到，未來綠色化工技術還存在人才隊伍和規章制度建設方面的問題，應從政府和國家監督，一方面大力培養高技能的化工人才，尤其是跨學科人才，另一方面應完善法律法規，加快淘汰落后產能和高污染生產線，同時通過政策引導和資金支持等手段，引導化工企業主動進行生產線升級和工藝提升。