楊賀勤，劉志成，謝在庫

（1中國石油化工股份有限公司上海石油化工研究院，上海 201208；2中國石油化工股份有限公司，北京 100728）

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特約評述

綠色化工技術(shù)研究新進展

楊賀勤1，劉志成1，謝在庫2

（1中國石油化工股份有限公司上海石油化工研究院，上海 201208；2中國石油化工股份有限公司，北京 100728）

摘要：當(dāng)前，我國化學(xué)工業(yè)面臨資源和環(huán)境等方面的重大挑戰(zhàn)，綠色化工技術(shù)對于環(huán)境的保護和經(jīng)濟的發(fā)展具有至關(guān)重要的作用，是化工行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。本文指出綠色化程度需用原子經(jīng)濟性、綜合能耗以及全生命周期低碳等指標進行衡量，總結(jié)了實現(xiàn)綠色化的3個基本途徑：低碳化、清潔化和節(jié)能化，并從生物質(zhì)低碳可再生資源的化工利用、綠色反應(yīng)工藝、高效反應(yīng)與分離設(shè)備、綠色溶劑、低溫均相催化、綠色制氫以及CO2利用技術(shù)等方面，綜述了近年來我國綠色化工技術(shù)創(chuàng)新上的主要進展。最后，對我國綠色化工技術(shù)發(fā)展的未來進行了展望，建議以綠色碳科學(xué)理念為基礎(chǔ)，應(yīng)重視直接轉(zhuǎn)化技術(shù)、輸入端和過程中能量的管理以及輸出端CO2的集中轉(zhuǎn)化技術(shù)等方面的研究開發(fā)。

關(guān)鍵詞：綠色化工技術(shù)；可持續(xù)發(fā)展；生物質(zhì)；二氧化碳；展望

第一作者：楊賀勤（1978—），女，博士；劉志成（1975—），男，博士（共同第一作者）。聯(lián)系人：謝在庫，教授，研究方向為多孔催化材料與石油化工催化。E-mail xzk@sinopec.com。

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(xué)工業(yè)而言，需要在傳統(tǒng)發(fā)展的基礎(chǔ)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。眾所周知，綠色化工已被全球列為21世紀實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的一項重要戰(zhàn)略，是解決資源與能源短缺、緩解環(huán)境惡化的重要途徑之一，是提高人類生存質(zhì)量和保障國家綠色發(fā)展的核心基礎(chǔ)科學(xué)與技術(shù)，并將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益[1]。本文從綠色化工內(nèi)涵、原料低碳化、過程綠色化、綠色制氫以及CO2利用技術(shù)等方面，綜述了近年來綠色化工創(chuàng)新技術(shù)的重要進展，并對未來進行展望和建議。

1　實現(xiàn)綠色化工的三個基本途徑

化學(xué)工業(yè)的綠色發(fā)展是在傳統(tǒng)發(fā)展模式基礎(chǔ)上進行的綠色創(chuàng)新與發(fā)展，其內(nèi)涵是提高能源效率、加強生態(tài)環(huán)境保護、控制溫室氣體排放，并從分子水平煉油、原子經(jīng)濟化工、CO2循環(huán)等方面促進傳統(tǒng)石油化工等化石資源產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，從而實現(xiàn)綠色化與可持續(xù)發(fā)展。其綠色化程度需用原子經(jīng)濟性、綜合能耗以及全生命周期低碳等指標進行衡量。目前，實現(xiàn)綠色化的3個基本途徑是低碳化、清潔化和節(jié)能化。

1.1 低碳化

所謂低碳化，是指用無碳、低碳可再生能源或其他新能源來替代高碳的煤炭或石油資源，以及通過CO2的減排和利用，實現(xiàn)整個工藝流程的低碳排放。由于化工產(chǎn)品的生產(chǎn)過程是一個對環(huán)境產(chǎn)生影響和作用的過程，因此采取過程低碳、產(chǎn)品低碳和全生命周期低碳的概念來分析生產(chǎn)低碳化，可以從系統(tǒng)宏觀的角度出發(fā)，綜合分析產(chǎn)品與環(huán)境的效應(yīng)以及對社會的影響。

化石資源的低碳化涉及含碳物質(zhì)從加工、利用、碳固定到碳循環(huán)全過程。在過去，石化產(chǎn)業(yè)主要以石油與煤炭等高碳資源為原料，而且在含碳物質(zhì)加工過程中，產(chǎn)生的CO2直接排放到空氣中，造成溫室效應(yīng)。未來，石化產(chǎn)業(yè)將加大生物質(zhì)等低碳可再生資源的利用規(guī)模，并將生產(chǎn)過程中的CO2經(jīng)過化學(xué)轉(zhuǎn)化或光合作用實現(xiàn)再利用，不僅提高碳資源的利用效率，還減少CO2凈排放，見圖1。為此，何鳴元等[2-3]提出了綠色碳科學(xué)的新理念，希望通過研究碳資源加工、能源利用、碳固定、碳循環(huán)整個過程中碳化學(xué)鍵的演變規(guī)律和優(yōu)化相關(guān)工業(yè)過程，使化石資源利用引起的碳循環(huán)失衡降到最低，實現(xiàn)基于碳原子經(jīng)濟性的優(yōu)化，同時促進碳化學(xué)循環(huán)，最終實現(xiàn)化石能源的增效減排。相信這一理念將奠定綠色化工發(fā)展的科學(xué)基礎(chǔ)。

圖1 化石資源、生物質(zhì)和CO2轉(zhuǎn)化利用過程中CO2的產(chǎn)生和循環(huán)簡圖[3]

1.2 清潔化

清潔化是指通過降低原材料的毒性和能源資源的消耗，實現(xiàn)廢物減量化、資源化和無害化，從而降低對環(huán)境的污染。其中，化學(xué)品制造所產(chǎn)生的污染不僅來源于原料和產(chǎn)品，更多是源自其制造過程中使用的有機溶劑。大量揮發(fā)性溶劑的使用，有的會引起地面臭氧的形成，有的會引起水源污染，因此，改進傳統(tǒng)的溶劑、選擇對環(huán)境無害的溶劑以及開發(fā)無溶劑反應(yīng)是綠色化學(xué)的重要研究領(lǐng)域。目前，超臨界流體、離子液體以及水作為反應(yīng)介質(zhì)在化學(xué)合成領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注。例如具有蒸氣壓低、不揮發(fā)等特性的離子液體，基于對有機金屬化合物較好的溶解性，被廣泛應(yīng)用在過渡金屬催化的液-液兩相加氫、氧化、Heck反應(yīng)等反應(yīng)中，并取得了令人鼓舞的進展[4-5]。

1.3 節(jié)能化

節(jié)能化是指加強用能管理，采用技術(shù)上可行、經(jīng)濟上合理以及環(huán)境和社會可以承受的措施，減少從能源生產(chǎn)到消費各個環(huán)節(jié)中的能源損失和浪費，更加有效、合理地利用能源。一方面，采用高效節(jié)能設(shè)備（如高效分餾塔、換熱器、空冷器、泵、壓縮機、加熱爐等）可產(chǎn)生直接明顯的節(jié)能效果[6]；另一方面，以節(jié)能、降耗、環(huán)保、集約化為目標的化工過程強化技術(shù)，是可望解決化學(xué)工業(yè)“高能耗、高污染和高物耗”問題的最有效技術(shù)手段之一。采用超重力、膜過程耦合、微化工、磁穩(wěn)定床、等離子體、微波輻射技術(shù)等過程強化技術(shù)，開發(fā)出新型、高效的生產(chǎn)工藝，或?qū)鹘y(tǒng)工藝改造和升級，可使化工過程的能耗、物耗和廢物排放大幅減少[7]。

2　綠色化工技術(shù)進展

化工生產(chǎn)涉及原料、過程和產(chǎn)品等多個方面，下面著重從原料低碳化、過程綠色化、綠色制氫及CO2利用技術(shù)等幾個方面，綜述我國近年來綠色化工技術(shù)的主要研究進展。

2.1 原料低碳化

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，可望在未來10～20年內(nèi)逐步實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。我國的生物質(zhì)能技術(shù)的開發(fā)和利用正快速發(fā)展[8]。

閔恩澤先生[9]是中國生物質(zhì)能領(lǐng)域的倡導(dǎo)者和奠基者，提出要大力發(fā)展生物質(zhì)能等可再生能源。近年來，杜澤學(xué)等[10]利用近/超臨界甲醇醇解技術(shù)，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(shù)——SRCA生物柴油綠色工藝。中國石化集團公司（簡稱中國石化）開展了生物航空煤油的制備技術(shù)研究，開發(fā)了餐飲廢油和微藻加工生產(chǎn)生物航油的技術(shù)。2013年4月，自主研發(fā)的1號生物航煤首次試飛成功[11]。相較于傳統(tǒng)航煤，生物航煤可實現(xiàn)減排CO250%以上，無需對發(fā)動機進行改裝，環(huán)保優(yōu)勢明顯。國內(nèi)外一些研究者提出了基于催化加氫過程的生物柴油合成技術(shù)路線，動植物油脂通過加氫脫氧、異構(gòu)化等反應(yīng)得到類似柴油組分的直鏈烷烴，形成了第二代生物柴油制備技術(shù)[12]。亓榮彬等[13]提出并開發(fā)了以生物油脂與石油餾分油為原料、集成加氫精制或加氫裂化過程制備生物柴油的工藝；姚志龍[14]開展了生物柴油脂肪酸甲酯的加氫技術(shù)研究工作，發(fā)明了一種超臨界溶劑，大大降低反應(yīng)壓力和氫氣對脂肪酸甲酯的進料比，轉(zhuǎn)化率和選擇性均超過99%；ZHOU[15]開發(fā)了植物油加氫脫氧制備生物柴油的工藝。

生物資源制乙烯是以大宗生物質(zhì)為原料，通過微生物發(fā)酵得到乙醇，再在催化劑作用下脫水生成乙烯[16-17]。2004年底，我國年產(chǎn)1.7萬噸的生物乙烯裝置在安徽豐原集團成功投產(chǎn)，2006年四川維尼綸廠新建了6000噸/年生產(chǎn)裝置，2008年山西維尼綸廠應(yīng)用中國石化的成套工藝也建成了6000噸/年的乙醇制乙烯產(chǎn)業(yè)化裝置。

以糧、糖、油類農(nóng)作物為原料制取生物乙醇或生物柴油等已進入商業(yè)化早期階段，相對于傳統(tǒng)的石油生產(chǎn)汽油和柴油，生物質(zhì)原料生產(chǎn)生物乙醇或生物柴油的生產(chǎn)過程更為節(jié)能、綠色，生產(chǎn)同樣熱值（1MJ）的生物乙醇所需要的石油能量輸入量僅為汽油的5%～20%[18]。不同生物質(zhì)原料生產(chǎn)乙醇的溫室氣體排放量也有很大差別，纖維素乙醇的總溫室氣體排放量比谷物乙醇的排放量低得多（相對值分別為11和81，而產(chǎn)生同樣熱值的汽油其相對溫室氣體排放為94，如圖2所示）。因此，從長遠看，應(yīng)發(fā)展能耗更低、CO2排放更少的纖維素乙醇技術(shù)。

圖2 生物質(zhì)生產(chǎn)乙醇的能量輸入和室溫氣體排放等全流程分析及與傳統(tǒng)汽油生產(chǎn)過程的對比[18]

纖維素轉(zhuǎn)化是生物質(zhì)利用的重要方向，主要包括氣化制合成氣、液化或熱裂解制燃料和裂解油、水解為葡萄糖或木質(zhì)素后再轉(zhuǎn)化制乙醇或芳烴等。纖維素大分子中具有C－O、C－C、C－H、O－H等多種化學(xué)鍵，其選擇性斷鍵生成特定化學(xué)品是生物質(zhì)催化領(lǐng)域的挑戰(zhàn)。Anellotech公司開發(fā)了生物質(zhì)熱解生產(chǎn)芳烴技術(shù)[19]；Virent公司開發(fā)了以生物質(zhì)“液相重整”制二甲苯為核心的生產(chǎn)技術(shù)[20]。張濤等[21-22]研究開發(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50%～74%。劉海超等[23-24]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能實現(xiàn)糖分子中的C—C鍵的選擇性斷裂。王野等[25]發(fā)現(xiàn)Pb(Ⅱ)可高效催化纖維素直接轉(zhuǎn)化制乳酸，使用微晶纖維素時乳酸收率達60%以上，該催化體系還可將未經(jīng)純化的甘蔗渣、茅草和麩皮等直接轉(zhuǎn)化為乳酸。

木質(zhì)素是僅次于纖維素的第二大可再生資源，在制漿造紙過程被溶解出來的木質(zhì)素，是造紙黑液的主要成分。一直以來，對堿木質(zhì)素進行改性并實現(xiàn)造紙黑液的資源化高效利用是一個世界級的難題。針對這個難題，邱學(xué)青等[26-28]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(shù)，制備了同時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，開辟了一條將造紙廢液作為化工原料制備精細化學(xué)品的資源化高效利用的新途徑。

生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化制備液態(tài)烷烴通常經(jīng)過多步驟，并且在高溫、高壓下進行，這既會導(dǎo)致C—C鍵斷裂，產(chǎn)生低值的甲烷和CO2，使液態(tài)烷烴的收率降低，又會導(dǎo)致催化劑失活。最近，XIA等[29]發(fā)明了具有選擇性斷裂C—O鍵功能的Pd/NbOPO4催化劑，使得呋喃類化合物的衍生物在溫和的條件下直接催化轉(zhuǎn)化為液態(tài)烷烴，液態(tài)烷烴收率高達90%，催化劑壽命達250h，其中NbOx起到了選擇性斷裂C—O鍵的作用。

2.2 過程綠色化

2.2.1 綠色反應(yīng)工藝路線

化工過程的綠色化，就是要利用全新的化工技術(shù)，符合原子經(jīng)濟性的工藝路線、熱量利用的耦合工藝和反應(yīng)過程強化技術(shù)，在分子水平煉油、原子經(jīng)濟化工、CO2減排等關(guān)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。

在選擇氧化制備含氧化合物方面，有許多典型綠色化工案例。中國石化石油化工科學(xué)研究院宗保寧等[30]開發(fā)的己內(nèi)酰胺綠色生產(chǎn)技術(shù)，通過單釜連續(xù)淤漿床與鈦硅分子篩集成用于環(huán)己酮氨肟化合成環(huán)己酮肟；非晶態(tài)合金催化劑與磁穩(wěn)定床集成用于己內(nèi)酰胺加氫精制。工業(yè)實施后，使裝置投資下降70%、生產(chǎn)成本下降10%、原子利用率由60%提高到90%以上，三廢排放是國外引進技術(shù)的1/200，產(chǎn)生了重大經(jīng)濟效益和社會效益。己內(nèi)酰胺綠色生產(chǎn)技術(shù)的開發(fā)，踐行了綠色化學(xué)的理念，是綠色化學(xué)的成功范例。中國石化上海石油化工研究院高煥新等[31]開發(fā)了過氧化氫異丙苯（CHP）法環(huán)氧丙烷綠色生產(chǎn)工藝，它以含鈦介孔HMS分子篩為催化劑、以CHP為氧化劑，其中異丙苯可循環(huán)利用，有效解決了環(huán)境污染問題。中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所（簡稱中科院大連化物所）高爽等[32]開發(fā)了以雙氧水為氧源、Q3[PW4O16]類磷鎢雜多酸鹽為反應(yīng)控制相轉(zhuǎn)移催化劑的綠色反應(yīng)工藝，該催化劑可循環(huán)使用，雙氧水反應(yīng)后生成水，無污染，目前已完成中試。華東理工大學(xué)[33]成功開發(fā)了以雙氧水為氧化劑、TS-1鈦硅分子篩為催化劑的環(huán)境友好HPPO工藝技術(shù)，現(xiàn)已完成千噸級工業(yè)試驗。中國石化石油化工科學(xué)研究院[34]成功開發(fā)了TS-1分子篩為催化劑的HPPO工藝，并完成了10萬噸/年規(guī)模的工業(yè)試驗。丁烷部分氧化可以實現(xiàn)100%碳轉(zhuǎn)化為馬來酸酐，是一種綠色反應(yīng)過程，其綠色化的實現(xiàn)是基于循環(huán)流化床反應(yīng)器（圖3），該反應(yīng)器可以使得丁烷在提升管中與釩磷混合氧化物催化劑接觸，發(fā)生部分氧化生成馬來酸酐；產(chǎn)品經(jīng)分離后，被還原的催化劑在流化床中重新氧化再循環(huán)利用。循環(huán)流化床反應(yīng)器的利用克服了傳統(tǒng)管式填料反應(yīng)器中催化劑選擇性和活性低的缺點，從而達到綠色化的要求[35]。

在重油加工及清潔油品方面，隨著國家對汽柴油標準要求的提高，清潔油品生產(chǎn)成為當(dāng)務(wù)之急。由于異丁烷與C4烯烴在酸性催化劑存在下合成的烷基化油具有辛烷值高、抗爆性能好、不含烯烴和芳烴、硫含量低以及蒸汽壓低等特點，是理想的汽油調(diào)合組分。但傳統(tǒng)的液體酸烷基化技術(shù)存在產(chǎn)品質(zhì)量低、酸耗高、廢酸再生和處理難等問題。徐春明等[36-37]近年來開發(fā)了環(huán)保、高效的復(fù)合離子液體催化劑[Et3NH]+[AlCuCl5]?等，創(chuàng)新了異丁烷與丁烯烷基化制汽油工藝，并完成了10萬噸/年工業(yè)試驗。ABB Lummus Global和Akzo Nobel等公司合作開發(fā)了Alkyclean工藝，采用環(huán)境友好的固體酸沸石催化劑，該工藝已在芬蘭Fortum油氣公司的Porvoo煉油廠成功進行了兩年的工業(yè)示范[38]。李大東等[39]采用渣油加氫處理（RHT）與渣油催化裂化（RFCC）組合工藝，提出了RHT-RFCC雙向組合技術(shù)（RICP）。通過加工渣油生產(chǎn)清潔的車用燃料，實現(xiàn)了“零廢渣”排放，并已成功工業(yè)應(yīng)用。

圖3 丁烷部分氧化循環(huán)流化床反應(yīng)器工藝示意圖[35]

圖4 基于CO2利用和可再生氫的煤制油綠色費托合成新路線及其能耗分析[40]

在費托合成方面，通過多種過程的綠色化可實現(xiàn)節(jié)能減排。傳統(tǒng)的煤制油路線有高溫?zé)崃呀狻⒅苯右夯?、間接液化等，其中間接液化有費托合成等工藝。費托合成已實現(xiàn)了大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用，但其能耗高、CO2排放量大、整個工藝過程低效，尤其是氣化過程，反應(yīng)器供熱耗能是反應(yīng)所需最小能量的3倍以上。為了降低費托合成工藝的能耗，有學(xué)者提出一種新路線[40]，即煤和水氣化反應(yīng)生成CO2和H2，而不是傳統(tǒng)的CO和H2，然后CO2和H2通過水氣變換反應(yīng)生成CO和H2O，再制成液體燃料，即3C+6H2O—→3CO2+6H2—→2(—CH2—)+4H2O+ CO2，如圖4所示，其中CO2氣化過程的能耗比以往氣化工藝過程降低20%；若考慮全流程，能耗降低更多。此外，如果氫來自于核能、太陽能或風(fēng)能，則整個費托合成工藝的能耗將進一步降低。李永旺等[41-44]將理論計算、過程工藝模擬和實驗緊密結(jié)合，研究了費托合成反應(yīng)條件下鐵基催化劑物相和微觀結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變過程，特別是預(yù)處理條件和關(guān)鍵助劑對催化劑活性相結(jié)構(gòu)和表面結(jié)構(gòu)的調(diào)變作用，獲得了對CO解離、甲烷生成、碳鏈增長關(guān)鍵科學(xué)問題的新認識，以此為基礎(chǔ)，開發(fā)出獨特的高溫漿態(tài)床費托合成（260～280℃）催化劑及成套工藝技術(shù)，并實現(xiàn)10萬噸/年工業(yè)應(yīng)用。該工藝有效平衡了全系統(tǒng)的熱量，克服了低溫漿態(tài)床工藝的低品位蒸汽難以高效利用的缺點，從而提升煤間接液化過程的整體能量利用效率。王野等[45-46]通過構(gòu)建催化裂解和異構(gòu)化雙功能催化劑，突破了產(chǎn)物ASF分布限,提高了汽、柴油產(chǎn)品的選擇性，解決了費托合成過程的另一難點——產(chǎn)物選擇性的調(diào)控。

在合成氣制含氧化合物方面，合成氣制乙二醇是具有原子經(jīng)濟性的綠色反應(yīng)路線，近年來國內(nèi)在這方面的技術(shù)開發(fā)進展較快，中國科學(xué)院福建物理結(jié)構(gòu)研究所[47-48]開發(fā)了負載型Cu-Cr等催化劑和氣相催化合成草酸酯連續(xù)工藝，先后完成了“CO氣相催化合成草酸酯和草酸酯加氫制乙二醇”的300t級中試裝置和萬噸級示范裝置試驗，并已在內(nèi)蒙古通遼等建成工業(yè)化裝置[49]。中國石化上海石油化工研究院[50]開發(fā)了CO偶聯(lián)制草酸二甲酯的催化劑和加氫催化劑，并通過偶聯(lián)反應(yīng)工藝、NO氧化酯化工藝及其匹配性的研究，形成了合成氣制乙二醇成套技術(shù)，建成1000噸/年合成氣制乙二醇中試裝置，近年建成了20萬噸/年工業(yè)裝置。

在天然氣化工利用方面，直接轉(zhuǎn)化是實現(xiàn)過程綠色的新方向。目前工業(yè)上主要采用間接法進行：即首先在高溫條件下天然氣中的甲烷分子與氧氣、CO2或水蒸氣重整反應(yīng)得到合成氣；隨后，或采用費托（F-T合成）方法，在特定的催化劑上將合成氣轉(zhuǎn)化為高碳的烴類分子；或先由合成氣制備甲醇，再經(jīng)微孔分子篩催化劑脫水，生產(chǎn)烯烴和其他化學(xué)品，這類傳統(tǒng)的甲烷間接法轉(zhuǎn)化路線較長、投資和消耗高、總碳的利用率低、CO2排放量大。而甲烷直接轉(zhuǎn)化技術(shù)路線短、能效高、過程低碳，是未來的發(fā)展方向，其難點是甲烷的選擇活化和定向轉(zhuǎn)化以及催化劑積炭失活等，它是一個世界性難題，長期以來一直是國內(nèi)外科學(xué)家研究的熱點。最近，包信和等[51]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)示著通過催化技術(shù)的革新，甲烷高效直接轉(zhuǎn)化是有希望實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用的。

2.2.2 高效反應(yīng)與分離設(shè)備

采用高效反應(yīng)或分離設(shè)備是實現(xiàn)過程節(jié)能、低碳的重要手段。例如氯堿制備技術(shù)，通過離子膜法生產(chǎn)技術(shù)取代隔膜法制備氯堿，能夠降低電耗。如果我國的100萬噸隔膜法制堿改造為離子膜法制堿，綜合能耗可節(jié)約標煤412萬噸。還有燒堿中的整流技術(shù)，液體燒堿蒸發(fā)技術(shù)用三效逆流改造為三效順流，可更充分合理地利用加熱蒸汽的熱量，生產(chǎn)1t燒堿可節(jié)省蒸汽1t。裂解爐的燃料消耗約占乙烯綜合能耗的85%～90%。利用乙烯裝置富裕低壓蒸汽、中壓凝液、急冷水、鍋爐排污等余熱，預(yù)熱裂解爐的燃燒空氣，可提高燃燒空氣的溫度，以降低燃料消耗[52]。中國石化齊魯石化公司的試驗數(shù)據(jù)表明，加裝空氣預(yù)熱器后，1臺裂解爐減少燃料消耗近100kg/h，全所可降低燃料消耗（標油）1萬余噸工業(yè)上分離對二甲苯（PX）的主要方法有結(jié)晶分離法和吸附分離法兩種，由于結(jié)晶分離能耗低、產(chǎn)品純度高、生產(chǎn)設(shè)備簡單等優(yōu)點而被應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)[53-54]；隨著膜分離技術(shù)的發(fā)展，研究人員開發(fā)出具有選擇滲透性能的MFI型沸石分離膜，并用于二甲苯分離過程[55]，具有低能耗、低污染等優(yōu)點。

膜分離與反應(yīng)耦合技術(shù)近年來發(fā)展很快，已在化工領(lǐng)域得到了應(yīng)用。近年來，徐南平等[56]開發(fā)出用沉淀反應(yīng)與無機膜分離耦合的鹽水精制新技術(shù)，解決了傳統(tǒng)鹽水精制工藝存在工藝流程長、生產(chǎn)不穩(wěn)定等問題。另外，他們還將反應(yīng)-膜分離耦合技術(shù)用于鈦硅分子篩催化環(huán)己酮氨肟化制環(huán)己酮肟的生產(chǎn)，有效地解決了催化劑的循環(huán)利用問題，縮短了工藝流程，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程的連續(xù)化[57]。李衛(wèi)星等[58]基于反應(yīng)-膜分離耦合技術(shù)開發(fā)出乳酸生產(chǎn)新工藝，他們采用蒸汽滲透的形式將乳酸乙酯水解過程中生成的乙醇及時移走，促進了反應(yīng)平衡移動，大大提高了轉(zhuǎn)化率。甲烷芳構(gòu)化是催化工作者長期致力研究開發(fā)的一項世界性難題。早期研究主要集中在開發(fā)高活性、高穩(wěn)定性的催化劑，其中具有脫氫-酸催化雙功能特性的Mo/HZSM-5分子篩受到了廣泛關(guān)注[59]。最近，江河清等[60]在透氧膜反應(yīng)器中嘗試進行了有氧甲烷芳構(gòu)化反應(yīng)。由于反應(yīng)器采用了鈣鈦礦型透氧膜，使氧氣可以從空氣側(cè)轉(zhuǎn)移到透氧膜另一側(cè)，并與甲烷芳構(gòu)化所生成的氫氣反應(yīng)產(chǎn)生水，從而打破化學(xué)平衡，提高甲烷轉(zhuǎn)化率。此外，通過使用該透氧膜，反應(yīng)器可以將氮氣保留在空氣側(cè)，避免其進入甲烷-芳烴體系中。研究還發(fā)現(xiàn)，由于氧氣和水蒸氣的存在，顯著改善了催化劑Mo/ZSM-5的積炭失活問題，延長了催化劑的使用壽命。在無氧芳構(gòu)化方面，金中豪等[61]制備了核殼型Mo/HZSM-5@Silicalite-1分子篩催化劑，其活性中心鉬物種分布于分子篩微孔內(nèi)，而其核殼型結(jié)構(gòu)不僅抑制了催化劑的積炭行為，還大大提高了反應(yīng)對芳烴的選擇性。

超重力旋轉(zhuǎn)填充床反應(yīng)器技術(shù)可有效地解決微觀分子混合和傳遞限制導(dǎo)致的反應(yīng)與分離過程效率低下的問題。近年來，陳建峰等[62]將超重力技術(shù)成功應(yīng)用于（二苯基甲烷二異氰酸酯）MDI、次氯酸以及納米碳酸鈣、納米藥物、丁基橡膠等化工和材料領(lǐng)域產(chǎn)品的制備或生產(chǎn)中，有效解決了高能耗、高污染、高物耗等問題。

磁穩(wěn)定床是磁流化床的特殊形式，兼有固定床和流化床的許多優(yōu)點[63]。慕旭宏等[64-65]以鎳系非晶態(tài)合金催化劑和鐵粉混合顆粒為固相，將氣液固三相磁穩(wěn)定床用于重整輕餾分油加氫生產(chǎn)新配方汽油組分及重整油烯烴選擇性加氫過程；此外，他們還實現(xiàn)了磁穩(wěn)定床應(yīng)用于己內(nèi)酰胺加氫精制過程，取得了突破性進展。

微化工系統(tǒng)是通過精密加工制造出的帶有通道、篩孔及溝槽等微結(jié)構(gòu)的反應(yīng)、混合、換熱、分離裝置，它可促成微米尺度分散的單相或多相體系的強化反應(yīng)和分離過程[66]。清華大學(xué)駱廣生等[67]開發(fā)的微分散設(shè)備內(nèi)制備納米碳酸鈣技術(shù)實現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用，達到了萬噸級的年生產(chǎn)規(guī)模。中科院大連化物所[7,68]開發(fā)了集混合、反應(yīng)、換熱于一體的年處理能力達8萬噸的微化工系統(tǒng)，已用于磷酸二氫銨工業(yè)生產(chǎn)。

此外，光催化、微波、等離子體等反應(yīng)技術(shù)目前也是綠色化工技術(shù)的前沿?zé)狳c。例如，甲烷部分氧化制甲醇過程大多在高溫、高壓條件下進行，且甲醇的選擇性較低，采用光催化氧化法將甲烷直接轉(zhuǎn)化為甲醇，該過程不需要氧氣，避免了深度氧化，并且有效利用豐富廉價的水和太陽能資源，這將是研究甲烷合成甲醇的重要方向之一[69-72]。HUANG等[73]研究了在微波等離子體反應(yīng)器中用氧部分氧化甲烷制甲醇的工藝，結(jié)果表明控制自由基反應(yīng)進行的程度是在等離子體反應(yīng)器中選擇性轉(zhuǎn)化甲烷的關(guān)鍵，并設(shè)計了不同的反應(yīng)器控制自由基的反應(yīng)。INDARTO等[74]在微波等離子體反應(yīng)器中，以Cu-Zn-Al為催化劑，研究了添加He時CH4和O2直接合成甲醇的反應(yīng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Cu-Zn-Al催化劑在等離子體系統(tǒng)中具有良好的定向合成甲醇的催化性能，甲醇的選擇性可達27.4%。CHEN等[75-76]研究并構(gòu)建了應(yīng)用于甲烷直接轉(zhuǎn)化合成甲醇的一段式和兩段式兩種等離子體催化體系，然后設(shè)計制備了適用于每種體系的催化劑，通過比較兩種體系的反應(yīng)效率和穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)催化劑在兩段式體系中的穩(wěn)定性大大高于一段式體系。

2.2.3 綠色溶劑

傳統(tǒng)化學(xué)化工過程使用大量有毒有害的揮發(fā)性溶劑，造成了嚴重的污染和浪費。綠色溶劑的有效利用不僅可減少環(huán)境污染，同時利用其特性還可以優(yōu)化和強化許多化學(xué)化工過程，減少能源和資源消耗，并且可以實現(xiàn)一些傳統(tǒng)條件下難以實現(xiàn)或無法進行的化學(xué)過程。因此，為了從源頭上消除污染和安全隱患、節(jié)省資源，很多學(xué)者在以CO2、H2O和離子液體為代表的綠色溶劑替代有害溶劑的性質(zhì)研究和有效利用方面開展了大量工作。韓布興等對超臨界流體、離子液體等綠色溶劑體系進行了深入系統(tǒng)的研究，實現(xiàn)了超臨界水中生物質(zhì)的加氫[24,77-78]、氧化[79-80]以及脫水[81-82]等生物質(zhì)化合物的轉(zhuǎn)化，反應(yīng)如圖5所示。與傳統(tǒng)的溶劑相比，超(近)臨界水中的反應(yīng)選擇性高且?guī)缀醪划a(chǎn)生污染。此外，該課題組以離子液體為介質(zhì)和催化劑，促進了多種清潔高效化學(xué)反應(yīng)[83]。例如2-唑啉酮類化合物的合成是以[DBUH][MIm]離子液體為介質(zhì)和催化劑，通過CO2和炔丙胺在溫和的條件下合成而得。該反應(yīng)效率高，且反應(yīng)中的[DBUH][MIm]離子液體不僅可以回收，還可以重復(fù)利用，避免了金屬離子的應(yīng)用。α-亞甲基環(huán)狀碳酸酯可以由CO2與炔醇在離子液體1-乙基-3-甲基咪唑二乙基磷酸酯([EMIM][(EtO)2PO2])的催化作用下制備，α-亞甲基環(huán)狀碳酸酯的產(chǎn)率為97%。離子液體在反應(yīng)中起到了溶劑和堿的雙重作用，且多次重復(fù)利用活性僅略有下降[84]。

2.2.4 低溫均相催化

圖5 超臨界水中生物質(zhì)的氧化[80]

相較于多相催化而言，均相催化具有反應(yīng)條件溫和（溫度、壓力均較低）、副反應(yīng)少、易于控制等優(yōu)點，因此低溫均相催化是實現(xiàn)化工過程低能耗的重要途徑。

烯烴是重要的合成原料和中間體，由烷烴脫氫制烯烴是重要的多相工業(yè)催化過程，但生產(chǎn)過程中條件苛刻、能量消耗大、產(chǎn)品選擇性差。均相烷烴脫氫催化劑的開發(fā)為烷烴脫氫制烯烴工藝的綠色化提供了新機遇[85]。黃正等[86]在設(shè)計和合成用于有機轉(zhuǎn)化的金屬催化劑方面進行了深入研究，開發(fā)了用于烷烴和雜環(huán)化合物脫氫的均相銥催化劑，反應(yīng)如圖6所示。與傳統(tǒng)脫氫催化劑相比，該均相催化劑不但反應(yīng)條件溫和，而且具有較高的脫氫活性和動力學(xué)選擇性。

CO2加氫制甲醇是CO2資源化利用的重要課題之一。由于CO2的惰性，原有采用多相催化劑的催化氫化過程通常需要在苛刻的壓力（50～100atm）和較高的溫度（250～300℃）條件下進行。丁奎嶺等[87]采用金屬有機均相催化方法，先將CO2與環(huán)氧乙烷作用能夠較容易地得到碳酸乙烯酯，然后以PNP Ru(Ⅱ) 螯合型的釕配合物為均相催化劑，在低于140℃和50atm下將碳酸乙烯酯還原獲得甲醇和乙二醇[87]，實現(xiàn)了在溫和條件下從CO2到甲醇的間接化學(xué)轉(zhuǎn)化（圖7）。最近，他們還以pincer型釕絡(luò)合物為催化劑，成功開發(fā)了以CO2、氫氣與有機伯胺或者仲胺為原料，高效合成甲酰胺類化合物的方法[88]。該方法具有反應(yīng)條件較溫和、催化效率高、選擇性好以及底物適用范圍廣等優(yōu)點。尤其是在N，N-二甲基甲酰胺（DMF）的合成中，催化劑可經(jīng)12次循環(huán)使用，其催化活性仍基本保持不變，顯示了該催化體系優(yōu)異的催化性能及良好的應(yīng)用前景。

2.3 綠色制氫

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[89]，通過化石資源、生物質(zhì)和水等制氫原料碳氫鍵或氫氧鍵的化學(xué)鍵斷裂反應(yīng)制?。▓D8）[90]。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?。相對于有氧工藝，高溫裂解和脫氫芳?gòu)化等無氧工藝通過提高甲烷碳氫鍵斷裂后含碳產(chǎn)物的不飽和度，能將甲烷轉(zhuǎn)化為具有經(jīng)濟價值的碳單質(zhì)或芳烴產(chǎn)物，是原子經(jīng)濟性的集中體現(xiàn)，且高度綠色化的轉(zhuǎn)化過程符合“低碳制氫”要求[61]。此外，傳統(tǒng)工藝的反應(yīng)耦合與過程強化也可以有效促進“碳化學(xué)循環(huán)”，提高制氫過程的綠色化程度。近年來，化學(xué)鏈重整（簡寫為CLR）制氫過程備受關(guān)注，該工藝主要是由氧化反應(yīng)器和還原反應(yīng)器組成（圖9），在一定的溫度下，氧載體首先在氧化反應(yīng)器中與水進行氧化反應(yīng)，分離出H2，攜氧的氧載體進入還原反應(yīng)器內(nèi)，釋放出氧物種與燃料進行還原反應(yīng)，氧載體中金屬氧化物被還原為低價態(tài)，再進入到氧化反應(yīng)器循環(huán)使用[91]?；瘜W(xué)鏈重整制氫技術(shù)反應(yīng)體系簡單，過程容易控制，易于實現(xiàn)工業(yè)化。

圖6 采用銥金屬有機均相催化劑實現(xiàn)烷烴脫氫制烯烴[87]

圖7 采用釕金屬有機均相催化劑間接實現(xiàn)CO2加氫制甲醇[87]

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。通過光合作用將太陽能轉(zhuǎn)化為碳水化合物的生物質(zhì)，作為熱解或氣化反應(yīng)的制氫原料，具有CO2中性體特性與可再生性[92]。從制氫原料的角度來看，大力開發(fā)水資源與生物質(zhì)資源制氫工藝，替代低氫碳比的化石資源是促進制氫工藝低碳、可持續(xù)的理想方法。此外，通過光催化分解水將太陽能直接儲存于氫氣是一條長遠的技術(shù)路線，然而，目前光能轉(zhuǎn)化效率依然較低，需深入研究光催化過程中的光生載流子分離、傳輸與反應(yīng)等產(chǎn)氫機理，發(fā)展高效的、可見光響應(yīng)的光催化新材料是取得突破的關(guān)鍵[93-94]。

圖8 氫能的制備工藝[90]

圖9 化學(xué)鏈重整制氫技術(shù)[91]

2.4 CO2利用技術(shù)

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。目前，研究者主要開展了CO2作為“合成砌塊”，用于制備烴類、甲醇、甲酸、醛、醚、酯、丙烯酸、水楊酸等一系列有機化學(xué)品及高附加值精細產(chǎn)品。

在CO2與甲烷重整制合成氣技術(shù)方面，目前國內(nèi)外均處于中試研究階段。中國石油大學(xué)(華東)開發(fā)的介孔納米二氧化鋯作為載體的金屬負載催化劑，具有優(yōu)良催化活性和穩(wěn)定性，已完成中試。中國科學(xué)院上海中科高等研究院[95]和中國石化上海石油化工研究院[96]也正在開展此項技術(shù)研究，催化劑壽命超過1000h。

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(yīng)具有很高的反應(yīng)效率。雖然上述研究為進一步實現(xiàn)CO2的高效轉(zhuǎn)化利用提供了一定基礎(chǔ)，但是，由于CO2具有很高的標準生成熱，結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，要實現(xiàn)其在溫和條件下的化學(xué)轉(zhuǎn)化極具挑戰(zhàn)性，其關(guān)鍵在于CO2分子的活化。這就需要將CO2的轉(zhuǎn)化與材料科學(xué)、催化理論以及過程工程科學(xué)有機結(jié)合，探索制備高性能催化劑及其工業(yè)化應(yīng)用技術(shù)。

從長遠看，CO2光催化轉(zhuǎn)化是從根本上消除CO2的理想途徑之一。自然界中，植物可利用太陽能將CO2和水轉(zhuǎn)化為葡萄糖。而科學(xué)家們利用新型的太陽能光(電)或光熱催化途徑，可將CO2轉(zhuǎn)化為一氧化碳、甲烷、甲醇、甲酸和甲醛等燃料或化學(xué)品，但主要問題是太陽能的轉(zhuǎn)換效率不高。李燦等[97]在CO2的光熱、光電和光催化轉(zhuǎn)化方面做了大量的基礎(chǔ)研究工作，取得了重要進展，最近他們研究發(fā)現(xiàn)，選用合適的助催化劑可大大降低還原所需的過電位，提高光電化學(xué)轉(zhuǎn)化效率。

3　綠色化工技術(shù)展望

綠色化工技術(shù)是化學(xué)工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一種新策略，綠色碳科學(xué)理念是其基礎(chǔ)，作為新興的前沿學(xué)科，必將成為21世紀化學(xué)工業(yè)技術(shù)發(fā)展的主流之一。對于未來綠色化工技術(shù)的發(fā)展，建議應(yīng)重視以下幾個方面的研究開發(fā)。

（1）重視直接轉(zhuǎn)化技術(shù)，提高合成步驟的“原子經(jīng)濟”性。從綠色角度來看，很多傳統(tǒng)有機合成需要兩步，甚至三步反應(yīng)才能完成，將多步反應(yīng)改成一步的原子經(jīng)濟反應(yīng)，實現(xiàn)直接轉(zhuǎn)化技術(shù)，是科學(xué)工作者追求的永恒主題。例如環(huán)氧丙烷的生產(chǎn)，傳統(tǒng)上主要采用兩步反應(yīng)的氯醇法，開發(fā)鈦硅分子篩后，可以實現(xiàn)催化氧化丙烯制環(huán)氧丙烷的原子經(jīng)濟新方法。當(dāng)然，要用單一的反應(yīng)來實現(xiàn)原子經(jīng)濟性仍十分困難，甚至是不可能的，但可以充分利用相關(guān)化學(xué)反應(yīng)的集成，即把一個反應(yīng)排出的廢物作為另一個反應(yīng)的原料，從而實現(xiàn)封閉循環(huán)，實現(xiàn)化工生產(chǎn)的零排放。

（2）重視輸入端能量和過程中能量的管理，開發(fā)碳循環(huán)全過程中能量消耗最低技術(shù)。通過開發(fā)節(jié)能減排的新型工藝和技術(shù)，替代能耗高、CO2排放量大的傳統(tǒng)技術(shù)，合理利用太陽能、氫能和熱能，減少過程中的碳排放。

（3）重視開發(fā)輸出端CO2的集中轉(zhuǎn)化技術(shù)。通過開發(fā)高效的催化材料，解決高效活化、定向轉(zhuǎn)化CO2等關(guān)鍵科學(xué)問題，促進光催化以及電化學(xué)方法等再生能源技術(shù)在CO2反應(yīng)中的應(yīng)用，以追求系統(tǒng)排放的CO2最小。

總之，針對化學(xué)工業(yè)的新發(fā)展、新要求、新挑戰(zhàn)，需要大力發(fā)展原子經(jīng)濟性高、綜合能耗低、全生命周期低碳的綠色化工技術(shù)。應(yīng)該相信，隨著我國化工科技水平的持續(xù)提高，綠色、高效的化學(xué)工藝技術(shù)將逐漸實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用，綠色化工技術(shù)的進步將為我國能源化工的可持續(xù)發(fā)展以及環(huán)境保護起到至關(guān)重要的作用。

參 考 文 獻

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Review of recent development of green chemical technologies

YANG Heqin1，LIU Zhicheng1，XIE Zaiku2
（1Shanghai Research Institute of Petrochemical Technology，China Petroleum & Chemical Corporation，Shanghai 201208，China；2China Petroleum & Chemical Corporation，Beijing 100728，China）

Abstract：At present，China’s chemical industry is facing big challenges of resources and environment，while green chemical technologies could provide ways to promote the sustainable development of China’s chemical industry. This article proposed that the degree of green chemical technologies can be measured by atomic economy，energy consumption and low carbon of full life cycle. Then，it summarizes three basic ways to realize green chemistry，including low carbonization，clean processes and energy conservation. Moreover，this article reviews the development and application of green chemical technologies in China，involving in the chemical transformation of renewable biomass resources，green chemical process，high efficient reactor or separation equipment，green solvents，homogeneous catalysis used at low reaction temperature，green hydrogen production and utilization of carbon dioxide，etc. Finally，outlook is given，and it is suggested that the green carbon science concept should always be committed，and special attentions could be paid on direct conversion technologies，energy management in the input and intermediate process，and output CO2intensive transformation，etc.

Key words：green chemical technology；the sustainable development；biomass；carbon dioxide；outlook

中圖分類號：TQ 021

文獻標志碼：A

文章編號：1000–6613（2016）06–1575–12

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.06.001

收稿日期：2016-03-07；修改稿日期：2016-03-11。

基金項目：國家自然科學(xué)基金“多相反應(yīng)過程中的介尺度機制及調(diào)控”重大研究計劃項目（91434102）。