化學工藝學的綠色化學教育

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[摘要]化學工藝學是高等化工教育的核心內(nèi)容，綠色化學是當今國際化學與化工科學研究的前沿。向著綠色化方向是實現(xiàn)化學工藝學可持續(xù)發(fā)展的必由之路。本文就如何在化學工藝學課程教學中滲透綠色化學教育的方法和實踐進行了探討。

[關鍵詞]化學工藝學；綠色化學；教育

化學工藝是高等化工教育的核心內(nèi)容，是化學工程與技術一級學科中的重要分支，是本科專業(yè)化學工程與工藝的核心?；瘜W工藝學課程是將學生所學的化學與化工基礎知識運用到產(chǎn)品工業(yè)化的實踐中，因此它將化學基礎研究成果與產(chǎn)品工業(yè)化生產(chǎn)緊密聯(lián)系起來，成為當代化學工業(yè)發(fā)展的重要技術支撐，也是化學與化工之間的紐帶與橋梁。隨著人類社會的發(fā)展，解決資源、環(huán)境、人口的矛盾、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略也成為化學工藝學要解決的重要課題。綠色化學是當今國際化學與化工科學研究的前沿，它吸收了當代化學、物理、生物、材料、信息等科學的最新理論和技術，是具有明確的社會需求和科學目標的新興交叉學科[1]。目前，綠色化學作為未來化學工業(yè)發(fā)展的方向和基礎，越來越受到各國政府、企業(yè)和學術界的關注。綠色化學又稱環(huán)境無害化學。綠色化學是指化學反應和過程以“原子經(jīng)濟性”為基本原則，即在獲取新物質的化學反應中充分利用參與反應的每個原料原子，實現(xiàn)零排放。不僅充分利用資源，而且不產(chǎn)生污染;并采用無毒、無害的溶劑、助劑和催化劑，生產(chǎn)有利于環(huán)境保護和人身健康的環(huán)境友好產(chǎn)品[2]。由上可見，化學工藝學在可持續(xù)發(fā)展上和綠色化學具有高度的一致性。因此，在化學工藝學的教學過程中，如何貫徹綠色化學的理念，對化學教育工作者和化學工藝專業(yè)的學生來說，具有十分重要的意義。本文就如何在化學工藝學課程教學中滲透綠色化學教育的方法和實踐進行了探討。

1必要性

近年來，各國在政府層面紛紛出臺綠色化學相關政策[3]，鼓勵和支持化學工作者在化學化工研究過程中基于綠色化學的原則開發(fā)新工藝新材料。例如，美國設立“總統(tǒng)綠色化學挑戰(zhàn)獎”，其目的是通過美國環(huán)保局與化學工業(yè)部門作為環(huán)境保護的合作伙伴的新模式來促進污染的防止和工業(yè)生態(tài)的平衡，進一步講是為了重視和支持哪些具有基礎性和創(chuàng)新性變遷，并對工業(yè)界有實用價值的化學工藝信訪，以通過減少資源的小韓來實現(xiàn)對污染的防止。日本在70年代世界能源危機后即啟動了研究開發(fā)新能源技術的“陽光項目”、研究開發(fā)節(jié)能技術的“月光項目”。進入90年代，旨在防止全球氣候變暖、重建綠色地球的“新陽光計劃”開始實施，其主要內(nèi)容為能源和環(huán)保技術的研究和開發(fā)，并提出了“簡單化學”的概念，即采用最大程度節(jié)約能源、資源和減少排放的簡化生產(chǎn)工藝過程來實現(xiàn)未來的化學工業(yè)。德國在1997年啟動了“為環(huán)境而研究”計劃，英國在2000年開始頒發(fā)“綠色化學獎”。我國在上世紀末制定的《國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃》，將綠色化學的基礎研究項目作為支持的重要方向之一。作為一名大學化學工藝學教師，在教學過程中對學生進行綠色化學理念宣傳是一項義不容辭的責任。鑒于綠色化學對人類可持續(xù)發(fā)展以及環(huán)境保護的重要意義，我們將綠色化學相關知識納入到“化學工藝學”的教學過程中，取得了良好的效果。

2具體措施

2.1以案說法，增強感性認識

大學生沒有化工實踐經(jīng)驗也很少參加相關科研工作，因此對綠色化學的認識十分有限。因此為了增強學生的感性認識，在講授化學工藝學過程中引入經(jīng)典案例，加之深入淺出的講解，會達到事半功倍的效果。在化學工藝學的教學過程中，通過生產(chǎn)環(huán)氧丙烷例子[4]，可以使學生對綠色化學工藝有更深入的了解。環(huán)氧丙烷，是重要的基礎有機化工原料，主要用于聚醚多元醇的生產(chǎn)，其次用于非離子表面活性劑、碳酸丙烯酯和丙二醇的生產(chǎn)。此外，環(huán)氧丙烷的衍生物產(chǎn)品有近百種，是精細化工產(chǎn)品的重要原料，廣泛應用于汽車、建筑、食品、煙草、醫(yī)藥及化妝品等行業(yè)。目前，世界上生產(chǎn)環(huán)氧丙烷的主要工業(yè)化方法為氯醇法、共氧化法和過氧化氫直接氧化法。氯醇法首先是丙烯、氯氣和水反應生成氯丙醇，然后在氫氧化鈣作用下，生產(chǎn)環(huán)氧丙烷，該工藝需消耗大量高能耗的氯氣、石灰原料和水資源，產(chǎn)生大量廢水和廢渣，且每生產(chǎn)1t環(huán)氧丙烷可產(chǎn)生40～50t含氯化物的皂化廢水和2t以上的廢渣。含氯化物的皂化廢水具有溫度高、pH值高、氯根含量高、COD含量高和懸浮物含量高的五高特點，難以處理。該工藝生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的次氯酸對設備的腐蝕也比較嚴重。共氧化法又稱哈康法，首先異丁烷和氧氣反應生成異丁酸和異丁醇，然后異丁酸和丙烯反應生成環(huán)氧丙烷和異丁醇。過程中原子經(jīng)濟性好并且聯(lián)產(chǎn)異丁醇，因此這一方法具有良好的工藝前景。過氧化氫直接氧化法是將丙烯和雙氧水直接反應生成環(huán)氧丙烷，過程中只生成環(huán)氧丙烷和水，該工藝在經(jīng)濟、環(huán)境和技術方面具有獨特的優(yōu)勢，是今后新建環(huán)氧丙烷裝置主要采用的生產(chǎn)工藝。

2.2介紹前沿，提升學習興趣

教師在課堂教學上要始終貫徹綠色化學的思想，要讓學生了解綠色化學，樹立起綠色意識，提升對綠色化學的學習興趣。我們十分關注國內(nèi)外有關綠色化學進展的各項報道，平時注重對國內(nèi)外相關資料的收集和整理，并對已有的資料加以消化和吸收。在此基礎上，將涉及的綠色化學知識較為系統(tǒng)地滲透、融入“化學工藝學”課程的教學內(nèi)容中，并在“化學工藝學”教學過程中形成了如下三大綠色化學教學專題，并積極跟蹤科研成果的新進展、新動向及其相關的新信息，不斷豐富、深化和改進綠色化學的教學內(nèi)容。(1)原料來源低碳化、多樣化隨著化石資源的減少，有關可再生生物質碳資源的轉化利用引起全球的廣泛關注，目前生物質能已經(jīng)成為世界各國轉變能源結構的重要戰(zhàn)略措施，許多新興生物質能技術正處于研發(fā)示范階段。例如杜澤學等[5]利用近/超臨界甲醇醇解技術，成功開發(fā)了以地溝油、酸化油、餐飲廢油等廢棄油脂、動物脂肪和林木油脂等為原料的生物柴油新技術-SRCA生物柴油綠色工藝。張濤等[6]研究開發(fā)了Ni-W2C/AC雙功能催化劑，可一步轉化纖維素為乙二醇，且收率可達50%～74%。劉海超等[7]發(fā)明了選擇氫解、近臨界水條件下水解耦合加氫等纖維素綠色解聚轉化為多元醇的新方法，發(fā)展了從纖維素直接選擇性合成丙二醇、甘油催化氧化合成乳酸等生物質化學品合成的新途徑，其催化劑WO3-Ru/C能實現(xiàn)糖分子中的C-C鍵的選擇性斷裂。邱學青等[8]發(fā)明并優(yōu)化了“黑液全組分利用”工藝，在國內(nèi)外首次直接以“黑液”為原料，成功制備了高性能工業(yè)表面活性劑系列產(chǎn)品；采用接枝磺化新技術，制備了同時具有高磺化度及高分子量的木質素兩親聚合物；建立了直接以造紙黑液為原料制備三類木質素高效分散劑的新技術路線，并成功用作混凝土高效減水劑、水煤漿分散劑和農(nóng)藥分散劑等，開辟了一條將造紙廢液作為化工原料制備精細化學品的資源化高效利用的新途徑。(2)過程綠色化化工過程的綠色化，就是要利用全新的化工技術，符合原子經(jīng)濟性的工藝路線、熱量利用的耦合工藝和反應過程強化技術，在分子水平煉油、原子經(jīng)濟化工、CO2減排等關鍵問題上尋求突破，并在源頭上減少或消除有害廢物的產(chǎn)生，減少副產(chǎn)物的排放，最終實現(xiàn)零排放。石峰等[9]以CO2為原料，開發(fā)了一種非光氣合成異氰酸酯的環(huán)境友好路線。包信和等[10]在甲烷高效直接轉化研究上取得了重大突破，制備了單中心低價鐵原子鑲嵌在氧化硅或碳化硅晶格的催化劑，高溫下甲烷分子經(jīng)自由基偶聯(lián)反應直接生成乙烯和其他高碳芳烴分子(如苯和萘等)，產(chǎn)物的碳原子利用效率接近100%。這預示著通過催化技術的革新，甲烷高效直接轉化是有希望實現(xiàn)工業(yè)應用的。(3)綠色制氫和二氧化碳利用氫是典型的綠色化工產(chǎn)品。氫能作為一種具有發(fā)展前途的清潔能源，通過化石資源、生物質和水等制氫原料碳氫鍵或氫氧鍵的化學鍵斷裂反應制取。然而烴類重整制氫和煤氣化制氫等有氧工藝是典型的高排放過程，且無法滿足氫能體系對高純?nèi)剂嫌脷涞闹苯又苽湟?。水資源是地球上最為豐富的含氫物質，其氫氧鍵斷裂分解后只生成氫氣和氧氣，是生產(chǎn)高純氫氣的理想原料[11]。低碳減排是綠色化工的核心內(nèi)容之一，其中CO2的資源化利用是實現(xiàn)其減排的首要途徑。CO2加氫合成甲醇及甲酸也是一條很有意義的有機合成路線。由于它能與氫氣互溶，在超臨界CO2流體中，CO2生成甲酸的氫化反應具有很高的反應效率。雖然上述研究為進一步實現(xiàn)CO2的高效轉化利用提供了一定基礎，但是，由于CO2具有很高的標準生成熱，結構非常穩(wěn)定，要實現(xiàn)其在溫和條件下的化學轉化極具挑戰(zhàn)性[9]。

2.3樹立綠色化學教育理念

教育活動中人才培養(yǎng)模式，包含培養(yǎng)目標、教學內(nèi)容、培養(yǎng)制度、培養(yǎng)過程四個最主要的要素[2]，因而培養(yǎng)優(yōu)秀的綠色化學化工人才，必須貫徹于培養(yǎng)模式的始終。這就要求在化學工藝學教學過程中牢固樹立綠色化學的教育理念，時刻滲透綠色化學知識。例如在講授“煤的加工利用”時，融入“硫回收”的相關內(nèi)容；講授“加氫工藝”時，融入“太陽能分解水制氫”和“化學鏈重整制氫”的相關內(nèi)容；講授“羰基化過程”時，融入“CO2活化利用”的相關內(nèi)容等等。

3結語

資源與環(huán)境是世界各國經(jīng)濟發(fā)展所需共同面對的兩大基本問題。對于我國化學工業(yè)而言，需要在傳統(tǒng)發(fā)展的基礎上推進綠色創(chuàng)新與發(fā)展，以節(jié)約和高效利用資源、保護環(huán)境為目標，實現(xiàn)綠色、可持續(xù)發(fā)展。作為化學化工教育工作者，在教學中進行采用靈活生動的綠色化學教育，是我國工程教育的重要內(nèi)容。如果大學化工專業(yè)學生接受了綠色化學與化工教育，他們在今后的學習和生活中就會自覺以綠色化學的理念來要求和規(guī)范自己的行為，而他們的行為在有意無意中又會對周圍的其他人產(chǎn)生潛移默化的影響。當他們走上各行各業(yè)的工作崗位時，如果能把綠色化問題置于工程項目中綜合考慮，對將我國的未來發(fā)展和人類的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生巨大的影響。

參考文獻

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作者:王瑞峰 單位:鄂爾多斯應用技術學院化學工程學院