化学工程工艺中绿色化工技术

化学工程工艺中绿色化工技术

刘泽民

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摘要：化学工程工艺中的绿色化工技术是近年来受到广泛关注的研究领域之一，其主要目的是在减少对环境影响的同时，提高生产效率和资源利用率。本文主要对绿色化工技术的概念、发展历程进行阐述，介绍化学工程工艺中常用的几种绿色化工技术，并以多相金属氧化物催化剂这种绿色化工技术为例，探究其在化学工程工艺中的应用实践。

关键词：化学工程；绿色化工技术；发展应用

引言

随着社会经济的快速发展和人口的不断增长，环境问题已成为全球关注的焦点。化学工程工艺作为一项重要的产业，对环境的影响愈加凸显，逐渐受到社会各界的广泛关注。传统的化工生产方式通常会产生大量的废水、废气和废固体，严重污染了环境。因此，绿色化工技术的出现成为了化学工程工艺领域的一个重要趋势。

1 绿色化工技术的概念

绿色化工技术是指在化学工程领域中，通过使用具备环保性、低毒性、高效性、可再生和可回收等特点的化学物质和工艺方法，来减少对环境和人类健康的影响，实现资源的高效利用和可持续化生产的技术。绿色化工技术是在可持续发展理念的引领下，为了适应当今社会对节能减排、环保和可持续发展的需求而发展起来的，其目标是实现高效、经济、安全、环保的生产过程，减少化学废物和污染物的排放。

2 绿色化工技术发展历程

2.1 初期阶段（1960—1980年）

1962年，美国环保署成立，引领了环保法规的制定和执行，推动了环保和绿色化工技术的发展。1980年以来，绿色化学概念的提出，强调化学品的设计和制造应该考虑到环境和人体健康的影响。绿色化学的主要目标是通过改变化学品的设计和制造过程，减少或消除对环境和人类健康产生负面影响的化学物质，其发展推动了环保和绿色化工技术的发展，促进了化学工业向更加环保和可持续的方向转型。

2.2 中期阶段（1990—2000年）

1990年以来，绿色化学和绿色化工技术开始进入快速发展期，出现了一系列的绿色化学和绿色化工技术，如绿色催化剂、可降解塑料、生物降解剂等，这些新技术的出现使得化学工业的生产更加环保和可持续，为环境保护作出了积极贡献。21世纪以来，绿色化学和绿色化工技术得到了广泛的应用，同时出现了一些新的绿色化工技术，如绿色溶剂、超临界流体提取等。

2.3 现阶段（2010年至今）

2010年以来，绿色化学和绿色化工技术进一步发展，出现了一些新的绿色化学和绿色化工技术，如离子液体、绿色催化剂和新型环保型溶剂等。同时，全球各国也开始加强环保法规的制定和执行，进一步推动了绿色化工技术的发展和应用。目前，绿色化工技术已经成为化学工业发展的重要方向，也是实现可持续发展的关键技术之一。

3 化学工程工艺中常用的绿色化工技术

3.1 绿色溶剂技术

3.1.1 超临界二氧化碳

超临界二氧化碳是一种无色、无味、无毒的气体，具有较高的溶解度和低的临界温度，在高温高压下，它可以转化为液态或超临界液态，具有类似于液态溶剂的特点。超临界二氧化碳在化学反应中能够取代传统的有机溶剂，从而降低对环境的影响。例如，超临界二氧化碳可以用于制备纳米颗粒。传统的纳米颗粒制备方法需要使用有机溶剂，这些有机溶剂可能对人体产生影响，同时还会产生大量的有机废弃物，而使用超临界二氧化碳可以避免这些问题，不仅无毒、无害，而且可以回收和再利用。

3.1.2 离子液体

离子液体是一种新型的环境友好型溶剂，其种类繁多，目前已经发现了上千种不同的离子液体，在化学工程工艺中常用的有烷基化咪唑离子液体、烷基化吡啶离子液体、芳香族化吡啶离子液体、烷基化吡咯离子液体、芳香族化噻唑离子液体等，这些离子液体具有不同的物化性质和应用场景，可根据具体的需要进行选择。离子液体具有极强的溶解性，可以溶解许多不易溶解的化合物，提高反应速率和产物收率，而且其挥发性极低，在反应过程中不易挥发，可以减少对环境的污染。

3.2 催化剂

3.2.1 生物质催化剂

生物质催化剂是一种从生物质中提取的催化剂，如纤维素、木质素、淀粉等，具有以下特点：低毒性：生物质催化剂通常是由天然有机物质提取而来，相比传统的金属催化剂，它们具有更低的毒性和环境风险，可以减少对环境和人类健康的影响；低成本：生物质催化剂的原料来源广泛且成本低廉，可以通过农业、林业等领域的副产品或废弃物来获取，节约了生产成本；高效率：生物质催化剂具有很高的催化效率和选择性，可以在温和的反应条件下实现高效催化，提高反应速率和产物收率；改善可持续性：生物质催化剂的使用可以促进生物质利用和资源循环利用，有助于改善化学工程工艺的可持续性和环境友好性。

3.2.2 金属氧化物催化剂

金属氧化物催化剂是一种环境友好型催化剂，相比传统的有毒有害催化剂，金属氧化物催化剂具有低毒性、高效率、低成本、高稳定性和环境友好等特点。它们可以在温和的反应条件下实现高效催化，降低反应温度和反应物的用量，减少废物的产生，符合环境保护的要求。此外，金属氧化物催化剂不含有毒有害成分，不会污染环境和危害人体健康，是一种可持续发展的催化剂。

4 化学工程工艺中绿色化工技术的应用实践

为了探究化学工程工艺中绿色化工技术的应用，在此以多相金属氧化物催化剂的应用为例，分析其在工业废水处理中的应用。多相金属氧化物催化剂是一种高效、稳定的催化剂，可以在常温下催化氧化反应，具有广泛的应用前景。在工业废水处理中，多相金属氧化物催化剂的应用可以实现废水高效处理，减少环境污染，达到绿色化工的目的。具体来说，多相金属氧化物催化剂在工业废水处理中的应用主要体现在以下几个方面：水中有机物降解：多相金属氧化物催化剂可以催化有机物的氧化降解反应，将废水中的有机物转化为无害的物质，从而减少环境污染。

4.1 实验材料与方法

本文在研究过程中，通过对前者研究成果的分析，在此制备出铜纳米颗粒外包裹一层多孔SiO2壳层（Cu@SiO2）的催化剂。

1）制备铜纳米颗粒。可以采用化学还原法、溶剂热法、微乳液法等方法。其中，化学还原法是最常用的制备方法，将铜盐溶解在水中，再加入还原剂（如乙醇、甘油等），在适当的条件下反应，得到铜纳米颗粒。

2）制备SiO2壳层。可以采用溶胶-凝胶法、共沉淀法等方法。其中，溶胶-凝胶法是最常用的制备方法，将硅源（如TEOS）和催化剂（如NH4OH）在乙醇中混合，形成凝胶，再在适当的条件下干燥和焙烧，得到SiO2壳层。

3）包裹铜纳米颗粒。将铜纳米颗粒分散在乙醇中，再加入SiO2溶胶，搅拌反应，使SiO2溶胶包裹在铜纳米颗粒表面，形成Cu@SiO2催化剂。

具体而言，首先将4.0 g的硅烷（TEOS）溶解在50 m L无水乙醇中，加入0.08 g聚乙二醇（P123）并搅拌，然后加入适量的Cu(NO3)2溶液，并搅拌至均匀。接着加入适量的NH3·H2O溶液，搅拌反应2 h后，将沉淀物离心、洗涤、干燥，得到Cu@SiO2催化剂。通过这种方法制备的多孔Cu@SiO2壳层催化剂具有高的比表面积、良好的催化性能和稳定性，可以应用于有机合成反应、催化剂载体等领域。

4.2 实验结果

使用Cu@SiO2催化剂处理工业废水，可以显著降低废水中重金属离子的浓度，达到净化废水的目的。在本次实验中，废水中铜离子的质量浓度从初始的10 mg/L降低到了2 mg/L以下，大大满足了废水排放标准。同时，由于Cu@SiO2催化剂具有较高的稳定性，可以反复使用，减少废水处理成本。

结语

绿色化工技术是当今化工领域中的重要发展方向之一，通过使用环保、可持续的技术和方法，实现化工过程中最大程度地减少对环境的污染和对资源的浪费，从而更好地保护人类和自然环境的健康和可持续发展。

参考文献

[1]安宝内.论绿色化学工程与工艺对化学工业节能的促进作用[J].当代化工研究，2023(5):149-151.

[2]南文文.绿色化工技术在化学工程与工艺节能中的运用探讨[J].中国石油和化工标准与质量，2023,43(1):169-171.