化学工艺学的绿色化学教育

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[摘要]化学工艺学是高等化工教育的核心内容，绿色化学是当今国际化学与化工科学研究的前沿。向着绿色化方向是实现化学工艺学可持续发展的必由之路。本文就如何在化学工艺学课程教学中渗透绿色化学教育的方法和实践进行了探讨。

[关键词]化学工艺学；绿色化学；教育

化学工艺是高等化工教育的核心内容，是化学工程与技术一级学科中的重要分支，是本科专业化学工程与工艺的核心。化学工艺学课程是将学生所学的化学与化工基础知识运用到产品工业化的实践中，因此它将化学基础研究成果与产品工业化生产紧密联系起来，成为当代化学工业发展的重要技术支撑，也是化学与化工之间的纽带与桥梁。随着人类社会的发展，解决资源、环境、人口的矛盾、实现可持续发展战略也成为化学工艺学要解决的重要课题。绿色化学是当今国际化学与化工科学研究的前沿，它吸收了当代化学、物理、生物、材料、信息等科学的最新理论和技术，是具有明确的社会需求和科学目标的新兴交叉学科[1]。目前，绿色化学作为未来化学工业发展的方向和基础，越来越受到各国政府、企业和学术界的关注。绿色化学又称环境无害化学。绿色化学是指化学反应和过程以“原子经济性”为基本原则，即在获取新物质的化学反应中充分利用参与反应的每个原料原子，实现零排放。不仅充分利用资源，而且不产生污染;并采用无毒、无害的溶剂、助剂和催化剂，生产有利于环境保护和人身健康的环境友好产品[2]。由上可见，化学工艺学在可持续发展上和绿色化学具有高度的一致性。因此，在化学工艺学的教学过程中，如何贯彻绿色化学的理念，对化学教育工作者和化学工艺专业的学生来说，具有十分重要的意义。本文就如何在化学工艺学课程教学中渗透绿色化学教育的方法和实践进行了探讨。

1必要性

近年来，各国在政府层面纷纷出台绿色化学相关政策[3]，鼓励和支持化学工作者在化学化工研究过程中基于绿色化学的原则开发新工艺新材料。例如，美国设立“总统绿色化学挑战奖”，其目的是通过美国环保局与化学工业部门作为环境保护的合作伙伴的新模式来促进污染的防止和工业生态的平衡，进一步讲是为了重视和支持哪些具有基础性和创新性变迁，并对工业界有实用价值的化学工艺信访，以通过减少资源的小韩来实现对污染的防止。日本在70年代世界能源危机后即启动了研究开发新能源技术的“阳光项目”、研究开发节能技术的“月光项目”。进入90年代，旨在防止全球气候变暖、重建绿色地球的“新阳光计划”开始实施，其主要内容为能源和环保技术的研究和开发，并提出了“简单化学”的概念，即采用最大程度节约能源、资源和减少排放的简化生产工艺过程来实现未来的化学工业。德国在1997年启动了“为环境而研究”计划，英国在2000年开始颁发“绿色化学奖”。我国在上世纪末制定的《国家重点基础研究发展规划》，将绿色化学的基础研究项目作为支持的重要方向之一。作为一名大学化学工艺学教师，在教学过程中对学生进行绿色化学理念宣传是一项义不容辞的责任。鉴于绿色化学对人类可持续发展以及环境保护的重要意义，我们将绿色化学相关知识纳入到“化学工艺学”的教学过程中，取得了良好的效果。

2具体措施

2.1以案说法，增强感性认识

大学生没有化工实践经验也很少参加相关科研工作，因此对绿色化学的认识十分有限。因此为了增强学生的感性认识，在讲授化学工艺学过程中引入经典案例，加之深入浅出的讲解，会达到事半功倍的效果。在化学工艺学的教学过程中，通过生产环氧丙烷例子[4]，可以使学生对绿色化学工艺有更深入的了解。环氧丙烷，是重要的基础有机化工原料，主要用于聚醚多元醇的生产，其次用于非离子表面活性剂、碳酸丙烯酯和丙二醇的生产。此外，环氧丙烷的衍生物产品有近百种，是精细化工产品的重要原料，广泛应用于汽车、建筑、食品、烟草、医药及化妆品等行业。目前，世界上生产环氧丙烷的主要工业化方法为氯醇法、共氧化法和过氧化氢直接氧化法。氯醇法首先是丙烯、氯气和水反应生成氯丙醇，然后在氢氧化钙作用下，生产环氧丙烷，该工艺需消耗大量高能耗的氯气、石灰原料和水资源，产生大量废水和废渣，且每生产1t环氧丙烷可产生40～50t含氯化物的皂化废水和2t以上的废渣。含氯化物的皂化废水具有温度高、pH值高、氯根含量高、COD含量高和悬浮物含量高的五高特点，难以处理。该工艺生产过程中产生的次氯酸对设备的腐蚀也比较严重。共氧化法又称哈康法，首先异丁烷和氧气反应生成异丁酸和异丁醇，然后异丁酸和丙烯反应生成环氧丙烷和异丁醇。过程中原子经济性好并且联产异丁醇，因此这一方法具有良好的工艺前景。过氧化氢直接氧化法是将丙烯和双氧水直接反应生成环氧丙烷，过程中只生成环氧丙烷和水，该工艺在经济、环境和技术方面具有独特的优势，是今后新建环氧丙烷装置主要采用的生产工艺。

2.2介绍前沿，提升学习兴趣

教师在课堂教学上要始终贯彻绿色化学的思想，要让学生了解绿色化学，树立起绿色意识，提升对绿色化学的学习兴趣。我们十分关注国内外有关绿色化学进展的各项报道，平时注重对国内外相关资料的收集和整理，并对已有的资料加以消化和吸收。在此基础上，将涉及的绿色化学知识较为系统地渗透、融入“化学工艺学”课程的教学内容中，并在“化学工艺学”教学过程中形成了如下三大绿色化学教学专题，并积极跟踪科研成果的新进展、新动向及其相关的新信息，不断丰富、深化和改进绿色化学的教学内容。(1)原料来源低碳化、多样化随着化石资源的减少，有关可再生生物质碳资源的转化利用引起全球的广泛关注，目前生物质能已经成为世界各国转变能源结构的重要战略措施，许多新兴生物质能技术正处于研发示范阶段。例如杜泽学等[5]利用近/超临界甲醇醇解技术，成功开发了以地沟油、酸化油、餐饮废油等废弃油脂、动物脂肪和林木油脂等为原料的生物柴油新技术-SRCA生物柴油绿色工艺。张涛等[6]研究开发了Ni-W2C/AC双功能催化剂，可一步转化纤维素为乙二醇，且收率可达50%～74%。刘海超等[7]发明了选择氢解、近临界水条件下水解耦合加氢等纤维素绿色解聚转化为多元醇的新方法，发展了从纤维素直接选择性合成丙二醇、甘油催化氧化合成乳酸等生物质化学品合成的新途径，其催化剂WO3-Ru/C能实现糖分子中的C-C键的选择性断裂。邱学青等[8]发明并优化了“黑液全组分利用”工艺，在国内外首次直接以“黑液”为原料，成功制备了高性能工业表面活性剂系列产品；采用接枝磺化新技术，制备了同时具有高磺化度及高分子量的木质素两亲聚合物；建立了直接以造纸黑液为原料制备三类木质素高效分散剂的新技术路线，并成功用作混凝土高效减水剂、水煤浆分散剂和农药分散剂等，开辟了一条将造纸废液作为化工原料制备精细化学品的资源化高效利用的新途径。(2)过程绿色化化工过程的绿色化，就是要利用全新的化工技术，符合原子经济性的工艺路线、热量利用的耦合工艺和反应过程强化技术，在分子水平炼油、原子经济化工、CO2减排等关键问题上寻求突破，并在源头上减少或消除有害废物的产生，减少副产物的排放，最终实现零排放。石峰等[9]以CO2为原料，开发了一种非光气合成异氰酸酯的环境友好路线。包信和等[10]在甲烷高效直接转化研究上取得了重大突破，制备了单中心低价铁原子镶嵌在氧化硅或碳化硅晶格的催化剂，高温下甲烷分子经自由基偶联反应直接生成乙烯和其他高碳芳烃分子(如苯和萘等)，产物的碳原子利用效率接近100%。这预示着通过催化技术的革新，甲烷高效直接转化是有希望实现工业应用的。(3)绿色制氢和二氧化碳利用氢是典型的绿色化工产品。氢能作为一种具有发展前途的清洁能源，通过化石资源、生物质和水等制氢原料碳氢键或氢氧键的化学键断裂反应制取。然而烃类重整制氢和煤气化制氢等有氧工艺是典型的高排放过程，且无法满足氢能体系对高纯燃料用氢的直接制备要求。水资源是地球上最为丰富的含氢物质，其氢氧键断裂分解后只生成氢气和氧气，是生产高纯氢气的理想原料[11]。低碳减排是绿色化工的核心内容之一，其中CO2的资源化利用是实现其减排的首要途径。CO2加氢合成甲醇及甲酸也是一条很有意义的有机合成路线。由于它能与氢气互溶，在超临界CO2流体中，CO2生成甲酸的氢化反应具有很高的反应效率。虽然上述研究为进一步实现CO2的高效转化利用提供了一定基础，但是，由于CO2具有很高的标准生成热，结构非常稳定，要实现其在温和条件下的化学转化极具挑战性[9]。

2.3树立绿色化学教育理念

教育活动中人才培养模式，包含培养目标、教学内容、培养制度、培养过程四个最主要的要素[2]，因而培养优秀的绿色化学化工人才，必须贯彻于培养模式的始终。这就要求在化学工艺学教学过程中牢固树立绿色化学的教育理念，时刻渗透绿色化学知识。例如在讲授“煤的加工利用”时，融入“硫回收”的相关内容；讲授“加氢工艺”时，融入“太阳能分解水制氢”和“化学链重整制氢”的相关内容；讲授“羰基化过程”时，融入“CO2活化利用”的相关内容等等。

3结语

资源与环境是世界各国经济发展所需共同面对的两大基本问题。对于我国化学工业而言，需要在传统发展的基础上推进绿色创新与发展，以节约和高效利用资源、保护环境为目标，实现绿色、可持续发展。作为化学化工教育工作者，在教学中进行采用灵活生动的绿色化学教育，是我国工程教育的重要内容。如果大学化工专业学生接受了绿色化学与化工教育，他们在今后的学习和生活中就会自觉以绿色化学的理念来要求和规范自己的行为，而他们的行为在有意无意中又会对周围的其他人产生潜移默化的影响。当他们走上各行各业的工作岗位时，如果能把绿色化问题置于工程项目中综合考虑，对将我国的未来发展和人类的可持续发展产生巨大的影响。

参考文献

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[4]米镇涛．化学工艺学(第二版)[M]．化学工业出版社，2014．

[5]杜泽学，刘晓欣，江雨生，等．近/超临界甲醇醇解油脂生产生物柴油工艺的中试[J]．石油化工，2014，43(11)：1296-1304．

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[7]LuoC，WangS，HaichaoLiu，etal．Celluloseconversionintopolyolscatalyzedbyreversiblyformedacidsandsupportedrutheniumclustersinhotwater[J]．AngewandteChemie，2007，46(40)：7636–7639．

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作者:王瑞峰 单位:鄂尔多斯应用技术学院化学工程学院