化學(xué)工藝學(xué)的綠色化學(xué)教育

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[摘要]化學(xué)工藝學(xué)是高等化工教育的核心內(nèi)容，綠色化學(xué)是當(dāng)今國(guó)際化學(xué)與化工科學(xué)研究的前沿。向著綠色化方向是實(shí)現(xiàn)化學(xué)工藝學(xué)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。本文就如何在化學(xué)工藝學(xué)課程教學(xué)中滲透綠色化學(xué)教育的方法和實(shí)踐進(jìn)行了探討。

[關(guān)鍵詞]化學(xué)工藝學(xué)；綠色化學(xué)；教育

化學(xué)工藝是高等化工教育的核心內(nèi)容，是化學(xué)工程與技術(shù)一級(jí)學(xué)科中的重要分支，是本科專業(yè)化學(xué)工程與工藝的核心?；瘜W(xué)工藝學(xué)課程是將學(xué)生所學(xué)的化學(xué)與化工基礎(chǔ)知識(shí)運(yùn)用到產(chǎn)品工業(yè)化的實(shí)踐中，因此它將化學(xué)基礎(chǔ)研究成果與產(chǎn)品工業(yè)化生產(chǎn)緊密聯(lián)系起來(lái)，成為當(dāng)代化學(xué)工業(yè)發(fā)展的重要技術(shù)支撐，也是化學(xué)與化工之間的紐帶與橋梁。隨著人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展，解決資源、環(huán)境、人口的矛盾、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略也成為化學(xué)工藝學(xué)要解決的重要課題。綠色化學(xué)是當(dāng)今國(guó)際化學(xué)與化工科學(xué)研究的前沿，它吸收了當(dāng)代化學(xué)、物理、生物、材料、信息等科學(xué)的最新理論和技術(shù)，是具有明確的社會(huì)需求和科學(xué)目標(biāo)的新興交叉學(xué)科[1]。目前，綠色化學(xué)作為未來(lái)化學(xué)工業(yè)發(fā)展的方向和基礎(chǔ)，越來(lái)越受到各國(guó)政府、企業(yè)和學(xué)術(shù)界的關(guān)注。綠色化學(xué)又稱環(huán)境無(wú)害化學(xué)。綠色化學(xué)是指化學(xué)反應(yīng)和過(guò)程以“原子經(jīng)濟(jì)性”為基本原則，即在獲取新物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)中充分利用參與反應(yīng)的每個(gè)原料原子，實(shí)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(wú)毒、無(wú)害的溶劑、助劑和催化劑，生產(chǎn)有利于環(huán)境保護(hù)和人身健康的環(huán)境友好產(chǎn)品[2]。由上可見(jiàn)，化學(xué)工藝學(xué)在可持續(xù)發(fā)展上和綠色化學(xué)具有高度的一致性。因此，在化學(xué)工藝學(xué)的教學(xué)過(guò)程中，如何貫徹綠色化學(xué)的理念，對(duì)化學(xué)教育工作者和化學(xué)工藝專業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，具有十分重要的意義。本文就如何在化學(xué)工藝學(xué)課程教學(xué)中滲透綠色化學(xué)教育的方法和實(shí)踐進(jìn)行了探討。

1必要性

近年來(lái)，各國(guó)在政府層面紛紛出臺(tái)綠色化學(xué)相關(guān)政策[3]，鼓勵(lì)和支持化學(xué)工作者在化學(xué)化工研究過(guò)程中基于綠色化學(xué)的原則開(kāi)發(fā)新工藝新材料。例如，美國(guó)設(shè)立“總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎(jiǎng)”，其目的是通過(guò)美國(guó)環(huán)保局與化學(xué)工業(yè)部門(mén)作為環(huán)境保護(hù)的合作伙伴的新模式來(lái)促進(jìn)污染的防止和工業(yè)生態(tài)的平衡，進(jìn)一步講是為了重視和支持哪些具有基礎(chǔ)性和創(chuàng)新性變遷，并對(duì)工業(yè)界有實(shí)用價(jià)值的化學(xué)工藝信訪，以通過(guò)減少資源的小韓來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)污染的防止。日本在70年代世界能源危機(jī)后即啟動(dòng)了研究開(kāi)發(fā)新能源技術(shù)的“陽(yáng)光項(xiàng)目”、研究開(kāi)發(fā)節(jié)能技術(shù)的“月光項(xiàng)目”。進(jìn)入90年代，旨在防止全球氣候變暖、重建綠色地球的“新陽(yáng)光計(jì)劃”開(kāi)始實(shí)施，其主要內(nèi)容為能源和環(huán)保技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)，并提出了“簡(jiǎn)單化學(xué)”的概念，即采用最大程度節(jié)約能源、資源和減少排放的簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)未來(lái)的化學(xué)工業(yè)。德國(guó)在1997年啟動(dòng)了“為環(huán)境而研究”計(jì)劃，英國(guó)在2000年開(kāi)始頒發(fā)“綠色化學(xué)獎(jiǎng)”。我國(guó)在上世紀(jì)末制定的《國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃》，將綠色化學(xué)的基礎(chǔ)研究項(xiàng)目作為支持的重要方向之一。作為一名大學(xué)化學(xué)工藝學(xué)教師，在教學(xué)過(guò)程中對(duì)學(xué)生進(jìn)行綠色化學(xué)理念宣傳是一項(xiàng)義不容辭的責(zé)任。鑒于綠色化學(xué)對(duì)人類(lèi)可持續(xù)發(fā)展以及環(huán)境保護(hù)的重要意義，我們將綠色化學(xué)相關(guān)知識(shí)納入到“化學(xué)工藝學(xué)”的教學(xué)過(guò)程中，取得了良好的效果。

2具體措施

2.1以案說(shuō)法，增強(qiáng)感性認(rèn)識(shí)

大學(xué)生沒(méi)有化工實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)也很少參加相關(guān)科研工作，因此對(duì)綠色化學(xué)的認(rèn)識(shí)十分有限。因此為了增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，在講授化學(xué)工藝學(xué)過(guò)程中引入經(jīng)典案例，加之深入淺出的講解，會(huì)達(dá)到事半功倍的效果。在化學(xué)工藝學(xué)的教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)生產(chǎn)環(huán)氧丙烷例子[4]，可以使學(xué)生對(duì)綠色化學(xué)工藝有更深入的了解。環(huán)氧丙烷，是重要的基礎(chǔ)有機(jī)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(xì)化工產(chǎn)品的重要原料，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、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(guò)氧化氫直接氧化法。氯醇法首先是丙烯、氯氣和水反應(yīng)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(diǎn)，難以處理。該工藝生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的次氯酸對(duì)設(shè)備的腐蝕也比較嚴(yán)重。共氧化法又稱哈康法，首先異丁烷和氧氣反應(yīng)生成異丁酸和異丁醇，然后異丁酸和丙烯反應(yīng)生成環(huán)氧丙烷和異丁醇。過(guò)程中原子經(jīng)濟(jì)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(guò)氧化氫直接氧化法是將丙烯和雙氧水直接反應(yīng)生成環(huán)氧丙烷，過(guò)程中只生成環(huán)氧丙烷和水，該工藝在經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和技術(shù)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，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(xué)習(xí)興趣

教師在課堂教學(xué)上要始終貫徹綠色化學(xué)的思想，要讓學(xué)生了解綠色化學(xué)，樹(shù)立起綠色意識(shí)，提升對(duì)綠色化學(xué)的學(xué)習(xí)興趣。我們十分關(guān)注國(guó)內(nèi)外有關(guān)綠色化學(xué)進(jìn)展的各項(xiàng)報(bào)道，平時(shí)注重對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料的收集和整理，并對(duì)已有的資料加以消化和吸收。在此基礎(chǔ)上，將涉及的綠色化學(xué)知識(shí)較為系統(tǒng)地滲透、融入“化學(xué)工藝學(xué)”課程的教學(xué)內(nèi)容中，并在“化學(xué)工藝學(xué)”教學(xué)過(guò)程中形成了如下三大綠色化學(xué)教學(xué)專題，并積極跟蹤科研成果的新進(jìn)展、新動(dòng)向及其相關(guān)的新信息，不斷豐富、深化和改進(jìn)綠色化學(xué)的教學(xué)內(nèi)容。(1)原料來(lái)源低碳化、多樣化隨著化石資源的減少，有關(guān)可再生生物質(zhì)碳資源的轉(zhuǎn)化利用引起全球的廣泛關(guān)注，目前生物質(zhì)能已經(jīng)成為世界各國(guó)轉(zhuǎn)變能源結(jié)構(gòu)的重要戰(zhàn)略措施，許多新興生物質(zhì)能技術(shù)正處于研發(fā)示范階段。例如杜澤學(xué)等[5]利用近/超臨界甲醇醇解技術(shù)，成功開(kāi)發(fā)了以地溝油、酸化油、餐飲廢油等廢棄油脂、動(dòng)物脂肪和林木油脂等為原料的生物柴油新技術(shù)-SRCA生物柴油綠色工藝。張濤等[6]研究開(kāi)發(fā)了Ni-W2C/AC雙功能催化劑，可一步轉(zhuǎn)化纖維素為乙二醇，且收率可達(dá)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(zhuǎn)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(zhì)化學(xué)品合成的新途徑，其催化劑WO3-Ru/C能實(shí)現(xiàn)糖分子中的C-C鍵的選擇性斷裂。邱學(xué)青等[8]發(fā)明并優(yōu)化了“黑液全組分利用”工藝，在國(guó)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(shù)，制備了同時(shí)具有高磺化度及高分子量的木質(zhì)素兩親聚合物；建立了直接以造紙黑液為原料制備三類(lèi)木質(zhì)素高效分散劑的新技術(shù)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(kāi)辟了一條將造紙廢液作為化工原料制備精細(xì)化學(xué)品的資源化高效利用的新途徑。(2)過(guò)程綠色化化工過(guò)程的綠色化，就是要利用全新的化工技術(shù)，符合原子經(jīng)濟(jì)性的工藝路線、熱量利用的耦合工藝和反應(yīng)過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)，在分子水平煉油、原子經(jīng)濟(jì)化工、CO2減排等關(guān)鍵問(wèn)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(shí)現(xiàn)零排放。石峰等[9]以CO2為原料，開(kāi)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(zhuǎn)化研究上取得了重大突破，制備了單中心低價(jià)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(yīng)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(yù)示著通過(guò)催化技術(shù)的革新，甲烷高效直接轉(zhuǎn)化是有希望實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)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(guò)化石資源、生物質(zhì)和水等制氫原料碳?xì)滏I或氫氧鍵的化學(xué)鍵斷裂反應(yīng)制取。然而烴類(lèi)重整制氫和煤氣化制氫等有氧工藝是典型的高排放過(guò)程，且無(wú)法滿足氫能體系對(duì)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(zhì)，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(shí)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(jī)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(yīng)具有很高的反應(yīng)效率。雖然上述研究為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)CO2的高效轉(zhuǎn)化利用提供了一定基礎(chǔ)，但是，由于CO2具有很高的標(biāo)準(zhǔn)生成熱，結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，要實(shí)現(xiàn)其在溫和條件下的化學(xué)轉(zhuǎn)化極具挑戰(zhàn)性[9]。

2.3樹(shù)立綠色化學(xué)教育理念

教育活動(dòng)中人才培養(yǎng)模式，包含培養(yǎng)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、培養(yǎng)制度、培養(yǎng)過(guò)程四個(gè)最主要的要素[2]，因而培養(yǎng)優(yōu)秀的綠色化學(xué)化工人才，必須貫徹于培養(yǎng)模式的始終。這就要求在化學(xué)工藝學(xué)教學(xué)過(guò)程中牢固樹(shù)立綠色化學(xué)的教育理念，時(shí)刻滲透綠色化學(xué)知識(shí)。例如在講授“煤的加工利用”時(shí)，融入“硫回收”的相關(guān)內(nèi)容；講授“加氫工藝”時(shí)，融入“太陽(yáng)能分解水制氫”和“化學(xué)鏈重整制氫”的相關(guān)內(nèi)容；講授“羰基化過(guò)程”時(shí)，融入“CO2活化利用”的相關(guān)內(nèi)容等等。

3結(jié)語(yǔ)

資源與環(huán)境是世界各國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展所需共同面對(duì)的兩大基本問(wèn)題。對(duì)于我國(guó)化學(xué)工業(yè)而言，需要在傳統(tǒng)發(fā)展的基礎(chǔ)上推進(jìn)綠色創(chuàng)新與發(fā)展，以節(jié)約和高效利用資源、保護(hù)環(huán)境為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)綠色、可持續(xù)發(fā)展。作為化學(xué)化工教育工作者，在教學(xué)中進(jìn)行采用靈活生動(dòng)的綠色化學(xué)教育，是我國(guó)工程教育的重要內(nèi)容。如果大學(xué)化工專業(yè)學(xué)生接受了綠色化學(xué)與化工教育，他們?cè)诮窈蟮膶W(xué)習(xí)和生活中就會(huì)自覺(jué)以綠色化學(xué)的理念來(lái)要求和規(guī)范自己的行為，而他們的行為在有意無(wú)意中又會(huì)對(duì)周?chē)钠渌水a(chǎn)生潛移默化的影響。當(dāng)他們走上各行各業(yè)的工作崗位時(shí)，如果能把綠色化問(wèn)題置于工程項(xiàng)目中綜合考慮，對(duì)將我國(guó)的未來(lái)發(fā)展和人類(lèi)的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生巨大的影響。

參考文獻(xiàn)

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作者:王瑞峰 單位:鄂爾多斯應(yīng)用技術(shù)學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院