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綠色化學(xué)與化工工藝學(xué)教學(xué)論文
摘要：綠色化學(xué)是新興交叉學(xué)科, 是當(dāng)今化學(xué)學(xué)科的研究前沿�；すに噷W(xué)是一門理論知識與生產(chǎn)實踐相結(jié)合的學(xué)科, 生產(chǎn)過程的新工藝、新方法與綠色化學(xué)有著緊密的聯(lián)系。在化工工藝學(xué)的教學(xué)過程中, 幫助學(xué)生樹立綠色化學(xué)理念具有十分重要的意義。本文以化工產(chǎn)品的傳統(tǒng)生產(chǎn)方法與綠色生產(chǎn)方法相比較, 探討了綠色化學(xué)在化工工藝學(xué)中的教學(xué)實踐。
關(guān)鍵詞：綠色化學(xué); 化工工藝學(xué); 教學(xué);
綠色化學(xué)又稱環(huán)境無害化學(xué)或潔凈化學(xué), 與其相對應(yīng)的技術(shù)稱為綠色技術(shù)、環(huán)境友好技術(shù)。綠色化學(xué)的核心是利用化學(xué)原理從源頭上消除化學(xué)工業(yè)對環(huán)境的污染, 其理想是采用“原子經(jīng)濟反應(yīng)”, 即原料中的每一原子都轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品, 不生成或很少生成副產(chǎn)品或廢物, 提高化學(xué)反應(yīng)的選擇性, 實現(xiàn)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(chǎn)環(huán)境友好的產(chǎn)品[1]�；谠咏�(jīng)濟性的概念, 1998年, 綠色化學(xué)的先行者-耶魯大學(xué)綠色化學(xué)和綠色工程中心主管Paul T.Anastas提出綠色化工的12原則, 內(nèi)涵體現(xiàn)在以下5個方面:“減量”、“重復(fù)使用”、“回收”、“再生”、“拒用”。綠色化學(xué)是化學(xué)化工發(fā)展的新階段, 它利用近代科學(xué)和技術(shù)的巨大進(jìn)展和最新成就, 在繼續(xù)生產(chǎn)人類社會所需要的大量新物質(zhì)、新產(chǎn)品的同時, 又滿足在生產(chǎn)過程中充分利用原料并確保生產(chǎn)出的物質(zhì)不污染環(huán)境。
化工工藝學(xué)是在化學(xué)、物理和其他科學(xué)成就的基礎(chǔ)上, 研究綜合利用各種原料生產(chǎn)化工產(chǎn)品的原理、方法、流程和設(shè)備的一門學(xué)科, 目的是創(chuàng)立技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟合理、生產(chǎn)安全、環(huán)境無害的生產(chǎn)過程�；すに噷W(xué)一般包括原料的選擇和預(yù)處理, 生產(chǎn)方法的選擇和方法原理, 設(shè)備的選擇, 催化劑的選擇和使用, 流程組織, 生產(chǎn)控制, 產(chǎn)品規(guī)格和副產(chǎn)物的分離與利用, 能量的回收和利用, 以及安全和環(huán)境保護(hù)措施。因此, 在化工工藝學(xué)的教學(xué)過程中, 結(jié)合綠色化學(xué)的研究成果和技術(shù), 向?qū)W生滲透綠色化學(xué)的理念, 對于促進(jìn)我國社會和經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。
1 綠色化學(xué)與合成氨工業(yè)
氨是化學(xué)工業(yè)中生產(chǎn)量最大的產(chǎn)品之一, 合成氨主要用來生產(chǎn)氮肥, 現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)中, 氨是化肥工業(yè)和基本有機化工的主要原料。合成氨生產(chǎn)包括原料氣制取、原料氣凈化和氨的合成3個基本生產(chǎn)過程。合成氨生產(chǎn)工藝復(fù)雜、技術(shù)密集, 消耗大量能源, 在教學(xué)過程中結(jié)合綠色化學(xué)的新技術(shù), 可以開拓學(xué)生視野, 樹立綠色化學(xué)理念。
1.1 煤為原料制合成氣的新技術(shù)
我國是世界上最大的以煤為原料的合成氨產(chǎn)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(zhuǎn)化為煤氣之后, 通過成熟的氣體凈化技術(shù)處理, 對環(huán)境污染可降低到最低限度, 煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電就是一種高效低污染的發(fā)電新技術(shù)。
整體煤氣化聯(lián)合循環(huán) (IGCC-Integrated Gas-ification Combined Cycle) 發(fā)電系統(tǒng), 是將煤氣化技術(shù)和高效的聯(lián)合循環(huán)相結(jié)合的先進(jìn)動力系統(tǒng)。采用煤作為燃料, 通過氣化爐將煤轉(zhuǎn)化為煤氣, 經(jīng)過除塵、脫硫等凈化工藝, 使之成為潔凈的煤氣供給燃?xì)廨啓C做功, 燃?xì)廨啓C排出余熱和煤氣化顯熱, 回收熱量, 經(jīng)余熱鍋爐加熱給水產(chǎn)生過熱蒸汽帶動蒸汽輪機發(fā)電, 從而實現(xiàn)煤氣化燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電過程。該系統(tǒng)具有以下特點:燃料的適應(yīng)性廣, 供電效率高、環(huán)保性能好、耗水量少、效率高等。此外, 正在開發(fā)研究的煤炭地下氣化技術(shù) (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(jìn)展
傳統(tǒng)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(xiàn)有催化劑進(jìn)行改進(jìn), 可以起到降低能耗、提高綜合效益的作用。目前研究開發(fā)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(jié)約能源、提高單程產(chǎn)率等優(yōu)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(tǒng)的生產(chǎn)方法與原子經(jīng)濟性反應(yīng)方法的比較
化工產(chǎn)品的生產(chǎn)有傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法, 有的還有符合原子經(jīng)濟性的綠色生產(chǎn)方法。在化工工藝學(xué)的教學(xué)過程中, 結(jié)合教材內(nèi)容舉出具體實例, 把傳統(tǒng)生產(chǎn)方法和原子經(jīng)濟性反應(yīng)作比較, 可以加深學(xué)生對原子經(jīng)濟性概念的理解。
環(huán)氧乙烷的生產(chǎn)方法有氯醇法和乙烯環(huán)氧化法。氯醇法要以危險的氯氣為原料, 副產(chǎn)物較多, 產(chǎn)品中甲醛含量較高, 限制了產(chǎn)品用途, 而且易造成設(shè)備腐蝕, 排出大量氯化鈣廢水, 造成環(huán)境污染。乙烯環(huán)氧化法是以乙烯和氧氣在適當(dāng)載體銀催化劑表面反應(yīng)生成環(huán)氧乙烷, 該方法制得的環(huán)氧乙烷純度和收率都很高, 原子利用率高, 反應(yīng)的原子經(jīng)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(fā)生氧化反應(yīng)后產(chǎn)物為水, 氧化過程無污染物。過氧化氫廣泛用于化學(xué)工業(yè)和環(huán)保行業(yè), 尤其在有機合成中作為綠色化學(xué)試劑的應(yīng)用越來越普遍。環(huán)氧丙烷的生產(chǎn)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(lián)產(chǎn)品量大。過氧化氫直接氧化法工藝流程簡單, 產(chǎn)品收率高, 基本無污染, 屬于環(huán)保友好的清潔生產(chǎn)系統(tǒng)。
環(huán)己酮肟的傳統(tǒng)生產(chǎn)方法是環(huán)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(huán)己酮的肟化, 環(huán)己酮與羥胺硫酸鹽反應(yīng), 同時加入氨水中和游離出來的硫酸, 得到環(huán)己酮肟的同時, 副產(chǎn)硫酸銨。該工藝氨水和硫酸消耗量大, 能耗高, 設(shè)備腐蝕嚴(yán)重, 三廢排放量大。環(huán)己酮肟的綠色生產(chǎn)方法是在鈦硅分子篩催化作用下, 環(huán)己酮、氨水和過氧化氫發(fā)生氨氧化反應(yīng)直接制備環(huán)己酮肟, 該工藝縮短了工藝流程, 投資少, 能耗少。
3 結(jié)語
綠色化學(xué)與化工是21世紀(jì)化學(xué)工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的科學(xué)基礎(chǔ), 也是我國化學(xué)科學(xué)與工程發(fā)展的必然要求。教師在化工工藝學(xué)的教學(xué)過程中應(yīng)當(dāng)有意識地向?qū)W生滲透綠色化學(xué)的理念, 幫助學(xué)生比較和分析教材中涉及的綠色化學(xué)工藝以及節(jié)能減排的具體措施, 了解一些新工藝、新方法的應(yīng)用, 開發(fā)學(xué)生思維, 推動綠色化學(xué)工業(yè)的發(fā)展。
參考文獻(xiàn)
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