綠色化學與化工工藝學教學論文

　　摘要：綠色化學是新興交叉學科, 是當今化學學科的研究前沿�；�工工藝學是一門理論知識與生產實踐相結合的學科, 生產過程的新工藝、新方法與綠色化學有著緊密的聯系。在化工工藝學的教學過程中, 幫助學生樹立綠色化學理念具有十分重要的意義。本文以化工產品的傳統生產方法與綠色生產方法相比較, 探討了綠色化學在化工工藝學中的教學實踐。

　　關鍵詞：綠色化學; 化工工藝學; 教學;

　　綠色化學又稱環境無害化學或潔凈化學, 與其相對應的技術稱為綠色技術、環境友好技術。綠色化學的核心是利用化學原理從源頭上消除化學工業對環境的污染, 其理想是采用“原子經濟反應”, 即原料中的每一原子都轉化成產品, 不生成或很少生成副產品或廢物, 提高化學反應的選擇性, 實現或接近廢物“零排放”的過程;同時也不采用有毒、有害的原料、催化劑和溶劑等, 并生產環境友好的產品[1]�；�于原子經濟性的概念, 1998年, 綠色化學的先行者-耶魯大學綠色化學和綠色工程中心主管Paul T.Anastas提出綠色化工的12原則, 內涵體現在以下5個方面:“減量”、“重復使用”、“回收”、“再生”、“拒用”。綠色化學是化學化工發展的新階段, 它利用近代科學和技術的巨大進展和最新成就, 在繼續生產人類社會所需要的大量新物質、新產品的同時, 又滿足在生產過程中充分利用原料并確保生產出的物質不污染環境。

　　化工工藝學是在化學、物理和其他科學成就的基礎上, 研究綜合利用各種原料生產化工產品的原理、方法、流程和設備的一門學科, 目的是創立技術先進、經濟合理、生產安全、環境無害的生產過程。化工工藝學一般包括原料的選擇和預處理, 生產方法的選擇和方法原理, 設備的選擇, 催化劑的選擇和使用, 流程組織, 生產控制, 產品規格和副產物的分離與利用, 能量的回收和利用, 以及安全和環境保護措施。因此, 在化工工藝學的教學過程中, 結合綠色化學的研究成果和技術, 向學生滲透綠色化學的理念, 對于促進我國社會和經濟的可持續發展具有重要的現實意義。

　　1 綠色化學與合成氨工業

　　氨是化學工業中生產量最大的產品之一, 合成氨主要用來生產氮肥, 現代化學工業中, 氨是化肥工業和基本有機化工的主要原料。合成氨生產包括原料氣制取、原料氣凈化和氨的合成3個基本生產過程。合成氨生產工藝復雜、技術密集, 消耗大量能源, 在教學過程中結合綠色化學的新技術, 可以開拓學生視野, 樹立綠色化學理念。

　　1.1 煤為原料制合成氣的新技術

　　我國是世界上最大的以煤為原料的合成氨產地, 煤氣化法是我國合成氨的主要制氣方法, 也是未來替代天然氣和石油資源所必須采用的制氣方法。煤轉化為煤氣之后, 通過成熟的氣體凈化技術處理, 對環境污染可降低到最低限度, 煤氣化聯合循環發電就是一種高效低污染的發電新技術。

　　整體煤氣化聯合循環 (IGCC-Integrated Gas-ification Combined Cycle) 發電系統, 是將煤氣化技術和高效的聯合循環相結合的先進動力系統。采用煤作為燃料, 通過氣化爐將煤轉化為煤氣, 經過除塵、脫硫等凈化工藝, 使之成為潔凈的煤氣供給燃氣輪機做功, 燃氣輪機排出余熱和煤氣化顯熱, 回收熱量, 經余熱鍋爐加熱給水產生過熱蒸汽帶動蒸汽輪機發電, 從而實現煤氣化燃氣蒸汽聯合循環發電過程。該系統具有以下特點:燃料的適應性廣, 供電效率高、環保性能好、耗水量少、效率高等。此外, 正在開發研究的煤炭地下氣化技術 (UCG, Underground Coal Gasification) 具有周期短、成本低、污染少、能耗低以及安全性高等特點[2,3]。

　　1.2 合成氨催化劑的進展

　　傳統的氨合成采用鐵系催化劑, 需要在較高的溫度和壓力下使用, 能耗巨大。因此, 對現有催化劑進行改進, 可以起到降低能耗、提高綜合效益的作用。目前研究開發的氨合成釕基催化劑, 由于在低溫低壓的條件下具有較高的活性, 具有節約能源、提高單程產率等優點, 被譽為第二代氨合成催化劑。此外, 還研究了活性更高的鋇-釕催化劑、金屬氮化物催化劑等。

　　2 傳統的生產方法與原子經濟性反應方法的比較

　　化工產品的生產有傳統的生產方法, 有的還有符合原子經濟性的綠色生產方法。在化工工藝學的教學過程中, 結合教材內容舉出具體實例, 把傳統生產方法和原子經濟性反應作比較, 可以加深學生對原子經濟性概念的理解。

　　環氧乙烷的生產方法有氯醇法和乙烯環氧化法。氯醇法要以危險的氯氣為原料, 副產物較多, 產品中甲醛含量較高, 限制了產品用途, 而且易造成設備腐蝕, 排出大量氯化鈣廢水, 造成環境污染。乙烯環氧化法是以乙烯和氧氣在適當載體銀催化劑表面反應生成環氧乙烷, 該方法制得的環氧乙烷純度和收率都很高, 原子利用率高, 反應的原子經濟性大大提高, 且無腐蝕性, 無大量廢料排放。

　　過氧化氫是一種理想的氧化劑, 過氧化氫的氧含量比有機過氧化物高得多, 發生氧化反應后產物為水, 氧化過程無污染物。過氧化氫廣泛用于化學工業和環保行業, 尤其在有機合成中作為綠色化學試劑的應用越來越普遍。環氧丙烷的生產方法有氯醇法、共氧化法和過氧化氫直接氧化法。共氧化法工藝流程長, 總投資高, 聯產品量大。過氧化氫直接氧化法工藝流程簡單, 產品收率高, 基本無污染, 屬于環保友好的清潔生產系統。

　　環己酮肟的傳統生產方法是環己酮-羥胺工藝。該方法分為兩步, 第一步是羥胺硫酸鹽的制備, 第二步是環己酮的肟化, 環己酮與羥胺硫酸鹽反應, 同時加入氨水中和游離出來的硫酸, 得到環己酮肟的同時, 副產硫酸銨。該工藝氨水和硫酸消耗量大, 能耗高, 設備腐蝕嚴重, 三廢排放量大。環己酮肟的綠色生產方法是在鈦硅分子篩催化作用下, 環己酮、氨水和過氧化氫發生氨氧化反應直接制備環己酮肟, 該工藝縮短了工藝流程, 投資少, 能耗少。

　　3 結語

　　綠色化學與化工是21世紀化學工業可持續發展的科學基礎, 也是我國化學科學與工程發展的必然要求。教師在化工工藝學的教學過程中應當有意識地向學生滲透綠色化學的理念, 幫助學生比較和分析教材中涉及的綠色化學工藝以及節能減排的具體措施, 了解一些新工藝、新方法的應用, 開發學生思維, 推動綠色化學工業的發展。

　　參考文獻

　　[1]朱志慶.化工工藝學 (第二版) [M].北京, 化學工業出版社, 2017, 298.

　　[2]鄧靖, 袁秋華, 姚根友, 等.煤炭地下氣化技術的發展及趨勢[J].山西化工, 2017 (2) :36-38.

　　[3]王建華, 王作棠, 陳文澤, 等.煤炭地下氣化發電技術分析[J].煤炭技術, 36 (2) :289-291.

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