可持续发展与现代化工科学

可持续发展与现代化工科学“可持续发展”的观念于1987年联合国环境与发展署在《我们共同的未来》中首先提出,并于1992年6月被发表在《里约热内卢宣言》上,从那以后人类开始把减轻地球环境负荷作为共同的努力目标。可持续发展是指既满足当代的需求,又不危及后代满足其发展需求能力的发展。可是人们长期以来单纯的经济发展观,导致了地球环境的全方位污染与生态平衡的严重失调。中国是世界第一人口大国,面对总体环境日益恶化,人均资源匾乏和不断膨胀的人口等严峻的国情现状,中国政府于1994年制定了《中国21世纪议程》,开始实施可持续发展战略。2002年8月发表了《中华人民共和国可持续发展国家报告》,党的十六大又提出必须把可持续发展放在十分突出的地位,可见其重要性。在全球10大环境公害中,与化工有关的占7~9个。美国TRI统计的结果也表明,化学工业为最大的有害物质释放工业,超过排在前10名的其他9个行业的总和。因此,大力发展现代化工科学及技术是中国经济发展的当务之急。1.1中国资源与生态化环境的边界条件中国人多地少,急剧增加的人口只会增加环境的负荷,加剧资源、能源的枯竭,加剧资源的供需矛盾。因此为了社会的永续繁荣,一方面必须走资源节约型发展道路,另一方面需要开拓新的资源,以期实现资源的生态化利用,并且要求整个开发和利用过程都是环境友好的。2.1资源生态化利用的目标远景——生态工业园区目标,需要国家科技能力的建设,社会发展能力的建设,及整体的经济技术实力等都要达到相当高的水平。2.2近期发展目标针对目前资源利用体系全过程研发目标可考虑以下几点。(1)科技创新加速使用生态化资源的利用过程与取代或改造非生态化的资源利用过程,以建立生态工业。(2)提高对生态系统受到破坏后的修补能力,提高对各类有毒物质的降解能力,提高对人类活动所释放的废弃物的缓冲和再利用能力,以解决中国严重的环境污染问题。(3)提高资源利用能力,大力发展利用劣质原料、废弃资源、替代原料和可再生原料的过程技术和相关的工程学研究。资源的合理利用、再生利用和保护问题已成为国家的战略问题,也必须通过工程手段予以实现。3可持续发展的现代化工过程工程基础化工可持续发展的基本理论与方法,是一个涉及到自然科学与社会科学的多学科交叉的复杂系统问题。现代化工过程工程科学与技术是资源生态化利用的工程技术基础中的重要组成部分。现代的化工过程工程科学与技术,也可称为生态化工或者绿色化工,区别于传统的化工科学与技术在于其优化目标函数中,必须涵盖生态环境建设目标,对于不同的资源利用过程可能用不同的函数表达。3.1生态化工过程的主要基础研发方向实现资源的生态化利用,其目标不仅要使原材料的资源全部转化为符合要求的产品,而且实现转化的生产及使用全生命周期都应该是安全、清洁、高效、无污染的环境友好过程。要达到这个目标,化工工作者需从两方面交叉研究:一是通过开发新型催化剂和新的合成与分离途径(流程)人手,这是化学与化学工艺者的任务;二是由强化化学工程技术出发,采用新型高效的绿色化工技术与装备,通过强化化工过程,优化化工系统集成的角度来实现,这又需要化学工程与化工机械工程技术界共同努力;而且只有从事这两方面工作的研究开发者在研发过程中实现早期的产品设计和全程的合作才能达到理想的目标。应该强调的是在复杂系统中,对于反应、质量、能量、流量转化的理论机理与规律必须在加速揭示的前提下,化工信息学和化工系统工程的策略与方法还必须贯彻于研发过程的始终,实现资源的生态化利用过程才能成功。一个理想的化工过程,应该是全生命周期都是环境友好的过程,即由原料到产品生产过程,由产品使用到其废弃过程,还包括该生产过程装置与设备由投产到报废周期的实现,全部是环境友好的,目前基础研发的内容有以下三个方面。3.2.1开发绿色化学与化学工艺(l)产品目标确定后,选择无害、无毒的原料与中间品。例如用非光气法生产双酚A,避免了剧毒物的产生;日本住友和旭化成公司以异丁烯取代用剧毒的氢氰酸为原料的丙酮氰醇法合成聚甲基丙烯甲醋,先一步氧化成甲基丙烯酸,再醋化为该产品;Shel公司则开发出以甲基乙炔为原料在把催化剂作用下经拨基化醋化生产MMA的绿色工艺,此法原料价格低,产品收率高。(2)尽量不用、少用有毒、有害的溶剂和助剂,或采用环境友好的溶剂和助剂。固态化学反应；无溶剂的液态反应；以水为介质的有机反应；超临界流体；近临界水溶剂；离子液体(3)发展高选择性,高效的新型催化剂及新的合成工艺,向生态过程与理想的原子经济性目标靠拢,从而简化反应步骤,提高经济和环境效益。简化工艺步骤；用固体酸催化剂取代传统酸催化剂；两相催化；催化的不对称合成；生物催化；仿生合成3.2.2发展绿色化学工程技术(l)强化藕合化工技术将是解决资源利用流程长,效率低等非绿色过程的关键技术。a.反应与分离的祸合把反应与分离结合起来,以使一台设备同时具有反应和分离的功能,如催化精馏、反应结晶、膜反应器、超临界反应分离技术等。作者等开发的一个反应结晶器在多场协同作用下可以将反应结晶速度提高10倍。b.分离技术的祸合单一的分离操作有一定的局限性,而不同的分离技术祸合其功能和适用性也许会大大提高,如吸附精馏,萃取精馏,熔融结晶,精馏结晶,超临界结晶,膜萃取等。像精馏一结晶藕合分离二氯苯一邻二氯苯,与精馏法比可节省投资50%,减少回流比60%,减少塔顶冷却负荷和塔底能耗各约57%。c.物理场协同作用超声波,微波,电磁波,等离子体,微/超重力,激光,(同步)辐射,压力场等物理场协同作用,过程效率常常大为提高。例如超声波反应器可使反应速率提高几倍至几百倍;对苯酚废水进行电解处理,45min后苯酚转化率达100%,且产品中不含有毒的对苯酿。(2)强化化工过程系统与装置—实现装置的微型化和系统集成化,应用计算化工与精细机械加工手段构筑微型集成化化工装置与系统。“过程强化”包含了一系列的更快、更简便地执行化学过程而采用的新方法和新装置,这既能增加化工厂单位体积的产能,同时又降低了传统扩容所带来的不良影响。几十年来,人们为实现过程强化所做的努力主要集中在减小过程设备的尺寸、增加它们的生产能力上。为了实现这一目的,基于稳态混合器的设备、简洁的热交换器、结构组装、整体催化剂以及离心接触器等都得到了广泛应用。乙酸甲醋生产中的反应蒸馏过程就是这种任务集成的一个例子。在微型化的时代,一种大小为几微米(或略大)的装置和生产流程,实现高体积产能的方法引起人们巨大关注。在这种装置中,浓度和温度梯度非常高,这加快了热量和质量的传递速度,使得反应条件更加均一。原则上,化学转化的速度、选择性和产率都能得到很大的提高。例如Sulze公司开发的静态混合反应器(SMI又)可使硝化反应时间由18h缩短到0.25s。(3)新兴的纳米科技与微化工技术a.纳米技术一方面要制得纳米尺度的微粒,另一方面要发现或改性获得异乎寻常的特性。鉴于化学科学研究中分析、合成及物理表征技术已取得的进展,材料可控尺度也逐渐减小。纳米颗粒是由团簇(原子或分子构成的团簇)构成的足够小的材料,它的性质与大块材料迥然不同。大部分原子或分子都接近表面,处于与内部环境不同的环境中,事实上,材料的性能随纳米粒子的实际大小而变,这是纳米科学革命的关键。制备具有确定尺寸和组成的纳米颗粒、测量其性能、弄清性能与尺寸间的关系仍然是目前研究热点。直接合成纳米结构的方法有:纳米插层聚合、相分离嵌段聚合物、杂化材料和采用化学自组装方法制备胶体、微囊、乳液及自组装单层等。纳米科技为实现制造高性能的微型机械装置提供了可能。b.微化工技术随着精密工程技术的发展,微化工技术受到人们更多的重视。利用微反应器可控制反应方向,提高反应的选择性,所使用的微反应器包括:环状配体化合物的空穴(环糊精、冠醚、杯芳烃等),分子聚集体(胶束、反胶束、LB膜、囊泡、液晶)以及多孔固体(分子筛、硅胶、氧化铝、赫土等)。利用微囊技术还可实现电子行业精密清洗等操作,如清除感光树脂及残留物。微化工技术能显著提高过程效率,从而节约资源,降低能耗,根治环境污染,有利于可持续发展。3.2.3构筑强大的现代化学工程学科学基础现代化学工程学科主要应当包括:多相流传递与反应原理、表面与界面科学与工程、化学与化工信息学、计算化学与计算化学工程、计算机辅助的过程工程与控制原理、现代测试科学与技术等。有了良好的科学基础,工程技术才能获得更大的发展例如,W.Kohn发展密度泛函理论和J.APople发展量子化学计算方法和模型化学而获得1998年诺贝尔奖,看来化学化工将不再是一门单纯的试验科学。计算化工是用量子化学理论和数学计算来认识、理解、预言和发现新的化学现象和揭示化工过程科学。它可以研究化合物分子结构和性能的关系,研究化学反应是如何发生的,也可预测反应产物及新的化合物具有什么样的化学性质,生物大分子的空间结构、取向和形态研究;研究分子一分子体系的排列和相互作用及稳定性等。更重要的是可进行化工过程模拟,实现多尺度的集成优化,计算化工将显示更强大的生命力。