探索绿色化工技术在化学工程与工艺中的应用

姚崇(临沂市检验检测中心，山东 临沂 276000)

0 引言

化工产业在为居民生活和工农业生产提供丰富化学产品的同时，也产生了大量的有毒有害物质及难降解垃圾，严重危害生态环境和人们的身体健康。随着近年来国民环保意识的崛起，有关部门逐渐加强了化学工程和化工生产的监管力度，大力提倡化工行业节能减排及绿色化工技术的研发应用。在绿色化工技术已经成为化工行业可持续发展战略重要组成部分的背景下，化工领域研究人员尝试改进现有的化工生产方式，最大限度的利用能源及生产原材料，使用更多的低毒性、无污染的催化剂，降低生产过程的能耗及污染，达到减少废弃物甚至不产生废弃物的目的。由此看来，绿色化工技术是加快化工行业转型升级的重要技术之一，也是改善化工行业负面影响的重要手段。

1 绿色化工技术与化学工程

绿色化工技术在传统化学工程与工艺的基础上，通过技术改良和原理创新，减少化工原料、反应溶剂和催化剂的消耗，并降低中间副产物和生产过程中废弃物，实现污染物零排放，降低化工生产对居民生活和环境造成的负担。用资源-产品-回收资源的模式替代传统的资源-产品-废物的模式。21 世纪初，西方发达国家就已经将绿色化工技术广泛应用于分析化学、合成化学和生物化学等领域中，并取得了较好的应用效果。

1.1 绿色化工技术内涵分析

绿色化工技术，又称可持续化学，是化学和化学工程的一个领域，致力于产品和工艺的设计，以尽量减少有害物质的使用和产生。环境化学则侧重于污染化学品对自然的影响，而绿色化工技术则侧重于环境化学的影响，包括防止污染和减少不可再生资源消耗的技术方法。绿色化工技术的首要目标，即更有效地利用资源和更安全地设计分子、材料、产品和工艺，可以在广泛的背景下实现。在日益关注化学污染和资源枯竭问题背景下，上世界90 年代，欧美等发达国家的科研人员开始了绿色化工技术的研究工作，同时环境保护署和自然资源部等相关部门着手制定了相应的管理规范及技术标准，标志着化工行业环保问题从污染治理转向污染物源头控制。

1.2 化学工程

化学工程是利用化学、物理、数学和经济学原理有效利用、生产、转化和运输化学品、材料和能源的工程分支。化学工程将化学物质、原材料、活细胞、微生物和能量转化为有用形式和产品的大规模工艺。在工厂设计和运行的许多方面，包括安全和危害评估、工艺设计和分析、控制工程、化学反应工程、施工规范和操作说明。化学工程在具体实施环节受到多种因素的影响，包括工艺条件、环境保护要求、政策法规、资金投入和安全标准等，这也就导致了在技术路线的选择上无法完全按照环保和绿色的要求进行。

2 绿色化工技术在化学工程于工艺研发中的要求

绿色化工技术能够降低化工生产造成的环境破坏，并全面清理化学反应导致的负面影响，将绿色化工技术充分融入化工生产中，对于实现资源节约型、环境友好型社会，促进社会发展具有积极影响。

2.1 提升化学反应选择性

在化学工程的工艺选择阶段，应首先强化各类绿色化工技术的科学应用范围；其次，需要创新绿色化工技术的实现手段，全面优化技术路径，使其更好地适应绿色化工发展要求。所以，化工生产管理部门应强化绿色化工技术的实际应用效果，创造技术发展的氛围，实现绿色化工的基本发展要求。提升化学反应选择性是实现绿色化工生产的基本前提，在技术应用阶段，提升化学反应选择性需要和提升资源和能源的利用效率结合起来，加强化工生产的经济效益。例如，在石油化工生产阶段，优化氰化物和烃类使用方式，降低此类易氧化物质在反应中氧化的概率，减少污染物产生。

2.2 科学规范使用化工生产原材料

化工生产原材料的使用是绿色化工技术研究的热点领域，通过科学的优化化工原料种类及用量，提升反应原料质量与配比。化工生产原料的使用是现阶段化工生产污染问题的集中表现，有关部门应强化问题导向，加大对违规材料使用的查处力度。同时，采用财政补贴或者降税等手段，引导化工企业使用绿色环保的生产原材料。较为常见的绿色原材料包括农作物、有机质等。例如使用竹子等天然植物纤维和蔗渣、麦秆、稻草等农业有机质作为醛、醇、酮、酸等物质的原材料，能够大幅降低难降解废弃物的产生。与此同时，有机质废弃物结合发酵工艺，可产生生物质燃料，这都是绿色化工技术的典型案例。

2.3 合理选用化学催化剂

在绝大部分化学反应中，催化剂的使用能够提升反应速率、降低反应能耗，催化剂是化工生产中的重要材料。在绿色化工技术的研究与应用过程中，开发无毒无害、绿色环保的新型催化剂是化工催化剂研究的重点。南京大学科研团队提出使用烷基化固态催化剂催化烯丙基醇类化合物，可实现在无溶剂条件下实现二碳基化合物的烷基化，简化了反应步骤，同时催化剂可循环使用，试验表明同一批次催化剂在参与四次催化反应后，回收率仍能保持在84%以上。

3 绿色化工技术在化学工程与工艺中的应用

3.1 清洁生产技术

清洁生产技术的目的是实现四无生产过程，及无害、无毒、无废弃物、无污染，主要的技术包括绿色催化技术、热辐射加工技术和临界流体技术等，在海水淡化、冶金加工、垃圾处理、煤气化、印染等多个行业取得了较好的应用成果。

以海水淡化为例，我国水资源相对紧张，尤其是东部沿海城市，水资源需求量逐年攀升，如何能够在较低成本下实现海水淡化，能够极大缓解东部发达城市的用水紧张局面。同时，在海水淡化过程中，可获得一定量的氢氧化镁，生产过程不产生二次污染，成本相对低廉，是一种具有广阔发展前景的清洁化工技术。

3.2 生物技术

生物技术主要涉及农业与作物生产、医药保健、工业与其他产品四个主要的工业领域。生物技术包括基因工程、细胞工程、微生物反应和酶工程等细分领域，主要应用于生物化工和化学仿生工程中。

(1)生物酶作为一种生物体内发挥催化作用的高效催化剂，能够在较为温和的条件下快速实现化学反应，同时具有突出的转移性，可广泛应用于生物化工技术中。

(2)生物膜技术作为一种生态环保的介质分离手段，在水处理、大气污染物治理中应用取得了较好效果。

(3)在微生物制有机产品领域，利用高效的生物催化剂，能够提升啤酒、牛奶等产品的转化率，同时能够改善农业制品的品质。

(4)在采矿业中，部分高价值的金属矿物可使用生物浸出的方式，得到纯度较高的金属单质，同时该种技术避免了传统重金属炼制过程的高耗能、高污染问题。该项技术也在有价值废弃物回收中广泛使用。

(5)最后，生物信息学将生物技术和计算机技术结合起来，借助于计算机快速处理海量数据的能力，实现了生物信息的分析与编辑。生物信息学在蛋白质组学和功能基因学中发挥了重要作用，能够在不产生污染物的前提下，大规模生产蛋白质和功能团等产物。

(6)蓝色生物技术是开发利用海洋资源中的主要生物技术之一，该技术以开发海洋资源为目的，可通过藻类的光合作用生产植物油，也可实现海洋植物的驯化与微繁殖过程的精准控制。

3.3 生产环境友好型产品

现阶段的工艺技术和市场需求都具备了开发环境友好型化工产品的条件，环境友好型产品是绿色化工技术的重要体现。环境友好型产品指的是在化工产品在生产、使用和后期处理过程中，完全不会造成环境污染的化工制品，从另一个角度分析，就是从生产到废弃物处置的全流程环境友好。

例如，汽车和汽油的使用在提升居民生活便利和工业生产能力的同时，也会带来严重的环境污染问题，为此，部分研究人员开发了环保型汽油或者是生物质燃料，该种燃料在燃烧过程中不会产生氮氧化物和硫化物。另一方面，可降解塑料袋也属于环境友好型产品，在兼具方便实用的基础上，能够在较短时间内分解，且分解产物不会导致环境破坏。

3.4 全面优化化工工艺流程

在传统的化工企业发展过程中，多使用单线供能方式，及使用单一的能源供应设备对全生产流程提供能源，部分反应过程需要在高温高压环境下进行，为了满足此类设备和反应过程的需求，往往导致热能的散失和浪费。为此，化工企业需要深入分析不同化工反应过程的热能需求，重新规划反应能源分配关系，更多的使用联合加热方式，控制能源的散失，提升能源综合利用效率。例如，使用变频技术替代传统的定频技术，将固定频率的电机改造为变频电机，尽力将能量供给曲线和反应过程能源需求曲线拟合，在反应中断或者条件提升过程中，通过频率调节，减少能源损失。

另一方面，受到企业技术储备和经济效益的限制，多数化工企业中进行的化学反应是不完全的，对于化工生产过程来说，废水中的残渣和固相颗粒随着反应时长的增加，会逐渐积累，可进行专门的收集收集和资源回收。对于具有一定经济价值的中间产物，既可以重新加入化学反应过程中，也可以出售给需要的其他单位，提升资源的综合利用效率。

4 结语

文章研究在深入分析绿色化工技术内涵的基础上，重点探讨了绿色化工技术在化学工程于工艺研发中的要求，指出提升化学反应选择性、科学规范使用化工生产原材料和合理选用化学催化剂是发展绿色化工技术的必然要求，并进一步分析了清洁生产技术、生物技术、生产环境友好型产品和全面优化化工工艺流程等绿色化工技术在化学工程与工艺中的应用，对于指导化工产业升级和化工厂节能降耗具有重要的指导意义。同时也应注意到，未来绿色化工技术还存在人才队伍和规章制度建设方面的问题，应从政府和国家监督，一方面大力培养高技能的化工人才，尤其是跨学科人才，另一方面应完善法律法规，加快淘汰落后产能和高污染生产线，同时通过政策引导和资金支持等手段，引导化工企业主动进行生产线升级和工艺提升。