化学工程技术以环境友好为己任

化学工程技术是化工科技创新的主要内容, 而环境友好的化学工程技术在传统化学工业改造与提升、资源合理利用与循环再生、环境保护与开发等方面一直发挥着重要作用。作为2015 中国化工学会年会的第一分会场, 环境友好的化学工程技术论坛荟萃了近百篇论文, 集中展示了科技工作者在传统工艺改进、“三废”治理等对化工行业可持续发展意义重大的领域的最新探索。

改进传统生产工艺

传统的正丁醇合成方法包括乙醛缩合法、发酵法和羰基合成法。与之相比, 乙醇直接合成丁醇被认为是一项非常有前景的绿色生产工艺, 其唯一的副产物是水。该工艺的核心是找到合适的催化剂体系, 再以乙醇为原料通过同系化反应制备丁醇。论坛上, 西南化工研究设计院展示的在该领域的进展, 将乙醇直接合成丁醇的新工艺向前推进了一大步。该院科研人员以金属氧化物为载体, 通过负载Ge、Pd、Pt、Ni、Cs等制备出了新型催化剂体系, 该体系在2.8 ~3.5MPa、300℃~375℃反应条件下, 乙醇转化率可达50%, 丁醇选择性可达76%。

碳酸丙烯酯是工业合成碳酸二甲酯、碳酸二乙酯及其他高分子聚合物的重要中间体, 其绿色合成工艺路线一直备受关注。其中, 以尿素及1, 2- 丙二醇等廉价化学品为原料的尿素醇解法是一种新颖的绿色合成方法, 催化剂的酸碱性是影响尿素醇解法收率的主要原因。南京工业大学的科研人员在这方面做了积极探索。他们以镁铝复合氧化物为载体, 过硫酸铵为促改性剂, 通过浸渍、焙烧手段制备了一系列具有酸碱双功能的S/LDO催化剂, 采用该催化剂的尿素醇解法碳酸丙烯酯收率可达95.5%。

我国大部分油田现已进入三次采油阶段。随着三元复合驱油剂用量的增长, 表面活性剂成为提升三次采油收率的关键。清华大学核能与新能源技术研究院以造纸工业副产物——碱木素为原料, 设计并合成出一类具有全新结构、高活性的木质素嵌段聚醚磺酸盐表面活性剂。通过调节反应参数, 可以得到木质素聚醚磺酸盐的系列产品。界面张力测试结果表明, 该表面活性剂具有较高的表面活性。这项成果为三次采油提供了一种廉价的、可再生的驱油剂来源。

创新“三废”处理路径

酸、碱、盐及一些不挥发性有机化合物应用于工业生产时必然会产生大量含酸、碱、盐和有机物的废水, 将其进一步浓缩则可直接回用于生产流程。膜蒸馏过程可用于废水的深度浓缩, 但传统膜蒸馏过程热能利用率极低, 且膜的耐酸碱、耐氧化、耐高温性能较差, 无法满足大规模工业化应用的要求。天津大学和洁海瑞泉膜技术公司的科研人员尝试采用具有内部潜热回收功能的聚四氟乙烯中空纤维气隙式多效膜蒸馏过程, 对含酸、碱、盐和有机物的废水进行深度浓缩处理, 节能效果显著。他们研制的膜组件在长达3 个月的操作过程中性能稳定, 同时具有优异的持久超疏水、耐酸碱、耐氧化、耐高温性能。

我国作为世界最大的硫酸法钛白生产国, 目前已有超过千万吨的酸解渣堆积, 造成了严重的环境污染。华东理工大学通过开展酸解尾渣颗粒沉降实验, 设计出适用于酸解尾渣分离工艺的新型DTB溢流分离器, 并优化了DTB溢流分离器结构参数。采用该溢流分离器对钛白酸解尾渣分离时, 回收率为73%, 可得到品位为27% 的钛。这项成果进一步工业化后, 可望实现硫酸法钛白酸解废渣的回收再利用。

二氧化碳的大量排放影响生态、环境与人类健康, 利用固体吸附材料捕集工业排放的二氧化碳一直受到国内外关注。浙江大学科研人员将一系列可捕集CO2的功能化阴离子负载于商业化的树脂上, 通过这种方法可大幅度提高树脂捕集CO2的能力, 实现了对CO2的高效可逆捕集。其中, 负载有与CO2具有较高作用焓的功能化阴离子的商业化树脂, 在低压条件下也可高效吸收CO2。这种阴离子功能化的商业树脂功能可调、捕集高效、循环稳定性好而且价格低廉, 在二氧化碳捕集应用方面极具潜力。

推进农化绿色进程

施用聚合物包膜控释化肥是解决化肥面源污染的一条有效途径, 目前主要有三种聚合物包膜工艺:聚烯烃包膜、聚氨酯包膜以及聚合物乳液包膜。其中乳液包膜不使用有机溶剂、包膜操作过程简单易控, 是具有发展前景的包膜工艺。清华大学化学工程系的科研团队在以聚合物乳液为包膜剂制备包膜尿素的过程中, 研究了聚烯烃、聚氨酯以及特定苯丙聚合物乳液膜层的光降解特性, 最终选用特定苯丙乳液作为包膜剂制备包膜控释化肥。该材料既能保证包膜过程易控、环保无污染, 又能获得优良的包膜控释效果, 还能实现残留膜层紫外光降解, 从生产到施用全程绿色无污染。

我国每年生成7 亿多吨秸秆, 大量秸秆露天焚烧导致严重的空气污染和资源浪费。与此同时, 传统农用地膜的大量使用造成了一系列的环境污染问题。秸秆中纤维素和木质素综合含量较高, 约占成分的60%。而这两种成分具有较好的成膜性能。北京化工大学的科研人员把秸杆和地膜巧妙的联系在一起, 制备出一种以秸秆为原料的生物可降解农用薄膜。该地膜集保温、保湿、增肥、可降解于一体, 其断裂伸长率达到60.79%, 拉伸强度达到8MPa, 基本满足农用需求。该项成果不仅使废弃作物秸秆得到了合理的资源化利用, 并且有望从根本上解决“白色污染”问题。

水凝胶具有很强的吸水保水性, 在土壤中可起到保水节水作用, 目前国内外对水凝胶作为控释肥料的研究越来越广泛。广西大学的科研人员以甲基丙烯酸膨润土和丙烯酸钠为单体, 以硝酸铵水溶液为介质, 再以过硫酸铵为引发剂, N, N'- 亚甲基双丙烯酰胺为交联剂, 通过自由基溶液聚合法制备出高负载硝酸铵水凝胶。该水凝胶材料作为肥料使用时, 农作物根系可吸收利用其附近从负载硝酸铵水凝胶中释放出来的肥料NH4NO3, 也可直接从水凝胶中吸取养分。该水凝胶具有节肥节水助生长的功效, 在提高化肥和水资源利用率、抗旱保苗以及荒漠复垦等方面将发挥重要作用。