沸腾的菊花
5.1 化学产品工程概念
化学产品工程是近些年在英美国家发展起来的新概念,它的研究范围是如何根据不断变化的市场需求,借助化学、工程和系统科学的方法来设计制造细化分类的各种新产品;如何快速高效地利用现有资源,使产品最大程度地满足用户需求.它主要包括分子产品工程、配方产品工程、间歇生产和柔性制造技术等三方面内容，分别解决物质分子结构和分子间互相作用于性质的关系、产品的特定复合组配、生产过程优化等问题.以往精细化学品和专用化学品的开发需要投入很大的人力和财力成本，而利用化工产品工程理论则可对此有理想的改善.通过该理论框架下的计算机分子模拟和设计,改变了以往主要依靠实验摸索的模式,可对各种可能的产品结构进行模拟计算,在大量候选结构中选出几种可行方案,大大减少了产品的设计开发过程
[25]
.
5. 2 超分子化学概念
超分子化学是“分子之外”的化学,与生命科学、材料科学等密切相关,是一门高度交叉的科学,被公认为是21世纪化学发展的重要方向.它站在化学、生物学和物理学的交汇点,研究分子之外的、通过非共价键互相作用而形成的超分子和有组织的多分子体系的复杂性,是化合物分子的“社会学”.非共价互相作用为组分间的价键、互相作用和反应提供了环境，组成了由分子个体组成的“整体社会结构”,对分子的稳定性、易损性、缔合、离析、张力及动力学等均产生较大影响.它的分子信息论和分子智能化概念必将为化学化工研究人员提供新的思路和方法[24].
化学化工的总趋势是化学反应、原料、催化剂、溶剂和产品的绿色化.开发新的原子经济反应已成为化学化工绿色化进程中的重要环节,它可使未来化工真正满足人类可持续发展的需要. 5.3 “绿色”精细化工
随着世界和我国高新技术的发展,不少高新技术将和精细化工融合,精细化工为高新技术服务,高新技术又进一步改造精细化工,使精细化工产品的应用领域进一步拓宽,产品进一步实现高档化、精细化、复合化、功能化,往高新精细化工方向发展,最终发展成为“绿色”高新精细化工.
“绿色”精细化工的含义是在精细化工的生产中要实现生态“绿色”化, 采用精细化学品为相关行业服务时,也要追求使相关行业的生产实现生态“绿色”化,也就是要模拟动植物、微生物生态系统的功能, 建立起相当于“生态者、消费者和还原者”的精细化工生态链,以低消耗(物耗和水、电、汽的消耗及工耗)、无污染(至少低污染)、资源再生、废物综合利用、分离降解等方式实现精细化工的“生态”循环和“环境友善”及清洗生产的“绿色”结果[25].
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我国的化学工业特别是精细化工行业是小规模经营,生产效率低,环境污染现象十分严重.国家对污染问题早有重视,制定了许多环保条例,并为这些条例的实施做了大量的工作.同时也从源头上阻止污染即绿色化学研究方面初步开展了一些工作,为了消除日常生活和农业中大量使用塑料薄膜造成的“白色污染”,在“八五”攻关中安排了重大项目“光生物双降解塑料”.1995年中国科学院化学部确定了《绿色化学与技术———推进化工生产可持续发展的途径》的院士咨询课题,并建议国家科技部组织调研,将绿色化学与技术研究工作列入“九五”基础研究计划;1997 年国家自然科学基金委员会与中国石油化工集团公司联合资助了“九五”重大基础研究项目“环境友好石油化工催化化学与化学反应工程”;中国科技大学绿色科技与开发中心在该校举行了专题研讨会,并出版了“当前绿色科技中的一些重大问题”的论文集;香山科学会议以“可持续发展问题对科学的挑战———绿色化学”为主题召开了第72 次学术研讨会;1998 年,在合肥举办了第一届国际绿色化学高级研讨会《; 化学进展》杂志出版了“绿色化学与技术”专辑;1999 年国家自然科学基金委员会设立了“用金属有机化学研究绿色化学中的基本问题”的重点项目.上述研究活动的开展推动了我国绿色化学的发展.
我国在高原子经济性特别是过渡金属催化的有机合成方法等方面开展了一些高水平的工作,如过渡金属催化的炔烃的异构化反应,烯烃的分子内成环反应等原子利用率都为100 % ,这方面的工作已被各国科学家广泛应用于目标分子的合成中,在国际上有一席之地.在“九五”重大基础研究项目“环境友好石油化工催化化学与化学反应工程”中,对基本有机化学品生产技术的绿色化进行了导向性的基础研究,现已取得阶段性的成果.我国在绿色化学的另一个热点领域,从手性配体的合成到不对称催化的不对称合成方面做了大量工作.另外我国在超临界流体方面也作了许多工作,包括化合物在超临界CO2中的物理化学行为方面,超临界CO2中的催化反应和聚合反应方面的工作也有一定的影响.在多相催化研究方面,我国也有长期的积累和学术水平较高的研究队伍,因为实现绿色化学的一个重要科学基础是催化,化学工业的90 %以上的过程涉及催化技术,催化剂在实现绿色化学中起着非常重要的作用.总之,我国在绿色化学研究方面有一支素质很高的科研队伍,研究工作在国际学术界已有一定影响.
可持续发展战略呼吁人们改变传统的生产方式和消费方式,要求人们在生产时要尽量少投入多产出,在消费时要尽量多利用、少排放.要求纠正过去那种靠高消耗、高投入、高污染的高消费来带动和刺激经济高速增长的发展模式,应转变为依靠科学进步和提高劳动者素质来促进经济增长的新模式.只有大力推动先进生产技术的研制、应用和普及,才能使单位产量的能耗、物耗大幅度地下降,才能不断地开
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拓新的能源和开发新的材料,也才能实现少投入、多产出的生产方面,进而减轻经济发展对资源和能源的过分依赖,减轻对环境的压力.绿色化学正是适应了可持续发展的要求.因此,绿色化学是发展生态经济和工业的关键,是实现可持续发展战略的重要组成部分[28].
5.4 高尖端、高技术、功能化、专用化,与快速发展的高科技时代接轨
全球经济一体化快速发展,跨国公司重组、兼并,使生产更集中、专业化.以信息化技术、生物技术、纳米技术、催化技术、新能源利用技术、新材料技术等为代表的新技术、新品种，将成为化工产业升级换代的巨大动力,多门学科交叉的高新技术会进一步涌现.催化剂、生物医学、纳米材料、功能高分子、精细陶瓷、薄膜材料、复合材料、非晶体材料、智能材料、富勒烯材料、电子信息化学品、光纤材料等方面将形成产业化、商品系列化.膜分离技术、超临界萃取技术、超细粉体技术、分子蒸馏技术,以及利用计算机技术和组合化学技术进行分子设计等都将进一步得到应用[29].
5.5 绿色化发展方向，与“全球变化科学”和现行政策接轨
全球变化科学核心问题是气候的变化,因大气污染造成的气候变暖现象更是热门话题.世界各国均耗费大量的财物治理三废,排放标准也日趋严格.欧洲的化学品注册评估和许可管理制度,美国的“总统绿色化学挑战年度奖”,其目的都是控制污染、倡导绿色.绿色化工的特点是对环境无毒无害,反应选择性极高.这形成了化学工业的一个重要方向,就是清洁化生产.己内酰胺、丙烯腈丙二醇醚、环氧丙烷等新工艺的开发，涂料、胶黏剂的水性化或无溶剂化,制冷行业的氟里昂及汽油添加剂甲基叔丁基醚的代替,化学致癌物质的禁用及可降解材料的开发利用等种种迹象表明,追求“绿色”、保护环境、保护人们的身心健康将是化学工业未来永恒不变的目标,也是刻不容缓的责任[28]. 5.5.1 采用分子设计技术
分子设计技术所要研究开发和生产的精细化工产品,即按合成技术-产品分子的内在结构-产品性能和加工行为之间的内在规律去设计市场急需的精细化工产品分子的内在结构,特别利用计算机来进行辅助设计,一开始就以创新、优化和“绿色”作为要求,通过分子内在结构将精细化工合成技术与反应工程、分离精制工程和应用技术带动起来,有利于寻找到放大的关键因素,保证放大获得成功,使创新的产品无毒或尽量低毒,生产流程无三废或少产生三废. 5.5.2 组织科技开发程序
按照化工新技术开发程序去组织“绿色”精细化工技术的开发和产品的生产.它是以市场为导向, 以创新和“绿色”为宗旨, 以工业化为目的,加强应用基础研究、
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工程研究(尤其是反应工程研究) 、技术经济评价、应用研究和市场推广、对概念设计进行验证试验、出基础设计、完成第一套工业示范装置的试验和修改,出“黑皮书”,拿出成套技术和创新的“绿色”产品,进而达到“交钥匙工程”,完成“绿色”精细化工科技开发认识的全过程.这样开发出的“绿色”精细化工成套技术是通过优化和工业化示范装置考核并修改过的,再建装置和生产是有可靠保证的. 5.5.3 采用“全优化”工程
应采用各种高新技术,使原料绿色化(即用无毒、无公害的合成或天然原料、或者以可再生的资源为原料) 、化学反应绿色化(即以绿色化的原料在绿色化的催化剂、溶剂、绿色化的助剂作用下进行“原子经济”反应) ,获得绿色化的精细化工产品(环境友好或环境无害的精细化工产品).也就是采用绿色化的原料,在绿色化的催化剂、溶剂和助剂作用下, 进行最优化的反应, 使原料分子中的原子百分之百地转变成精细化工产品,达到转化率、选择性和收率都为100 % ,不产生副产物、废水、废渣和废气,实现废物的“零排放”,即达到化学反应和精细化工生产的最佳境界和平衡.最后,将绿色精细化工产品在国民经济相关部门和行业进行应用(进一步反应或复配) 时,仍需考虑设计最终绿色化的“原子经济”反应或复配技术,以达到全程化的“绿色”高新精细化工.如精细化工中间体对氨基苯酚是制造医药、染料、子午线轮胎配套用防老剂4010NA、4020和4030等的重要原料,到21世纪我国的需求量将超过4万吨/ 年.目前其产量仅215万吨,而主要以对硝基氯苯为原料,经液碱加压水解生成对硝基苯酚钠盐,再用无机酸酸化得对硝基苯酚,然后用铁粉还原制得.其原料成本高、生产流程长、三废污染严重、产品含铁量高.每生产1吨产品要排出3吨多废铁泥和几十吨废水, 利润也极其微薄.随着我国有机电化学技术的发展,以硝基苯为原料电解法一步生产对氨基苯酚的新技术将取代铁粉还原法,其原料成本低、生产过程短、三废污染少、不需贵金属和加压设备,可在常温常压下操作,每吨可盈利1万元.预计这种近于绿色化的精细化工生产方法将在21 世纪使对氨基苯酚和不少精细化工中间体的生产能满足市场的需要. 5.6 环境保护
我国工业废水排放量占污水总量近70 % ,其中造纸、酒精、染料、农药、皮革、味精、制糖等工业废水(废液)的有机负荷占总量的1/ 2以上,而且不易生物降解, 毒性大、固含物浓度高, 对我国江河湖海和土壤的污染严重, 其中草类造纸制浆的黑液的污染尤为严重,占全国工业废水排放的1/ 8 , 居第三位; 废水中化学耗氧量居第一位.是我国当前急于解决的难点和热点问题.以下为几种解决方法: 5.6.1 转化法处理造纸黑液废水
转化法处理碱法化学草浆黑液的清洁生产成套技术将以往造纸工业生产末端
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治理废水改为源头全程治理, 把多年来造纸工业中白白流失的约占植物纤维原料一半以上污染环境的木素衍生物等又全部造成了纸, 彻底解决了目前国内草类制浆造纸的污染问题.原工艺中215万吨的麦草仅生产1 万吨的白纸,产生1万多吨的污染源.采用高新技术后,可生产111万吨的白纸, 113万吨的包装纸; 70 %的水循环使用,余下30 %的水达标(COD≤300mg/L)排放;节约用碱20 %～30 %;还可提高纸张的质量.真正成为“绿色”工程.此项示范工程预计在21世纪可大力推广, 形成造纸“绿色”工程产业, 成为“绿色”高新精细化工的一个典范. 5.6.2 采用生物源发酵
从天然原料制取有机化工中间体或其他精细化学品多采用酸或碱去处理,对环境污染也相当严重.如采用生物化工这种高新技术去进行合成,就会成为无污染的“绿色”高新精细化工.称为壳聚糖的甲壳胺是一种用途较多的生物多糖, 广泛应用于医药、食品、化妆品、胶粘剂等行业中; 在环保领域,可作为工业废水和生活污水处理用的废水絮凝剂、重金属离子的脱除剂等, 有极好的应用前景,已成为中国当前发展的热点.但其制备方法一般都是用虾壳、蟹壳通过强碱处理后获得,其制备过程本身就容易造成对环境的污染,其工艺比较复杂,价格又较高,还受地域和时间的影响.北京化工大学已从“绿色”高新精细化工的要求出发,利用生物发酵法生产壳聚糖, 用于制备高效率的生物环保型水处理剂, 其生产完全不受时间和季节以及地区的影响和限制, 操作简单, 成本低廉, 对环境无污染,已用于工业废水中重金属离子的吸附分离,取得较好的结果.同时,还采用独特的模板印记法,制得具有模板空穴的球形交联壳聚糖树脂,该树脂对特定金属离子具有“记忆性”,能选择吸附与模板中金属离子结构类似的离子,达到使用水、工业废水、生活污水净化的目的.
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