發(fā)展中的低碳綠色化工新技術(shù)

李麗心

摘 要:本文敘述了新型可再生能源的研發(fā)、環(huán)境無害致冷劑的開發(fā)、可降解高聚物的研發(fā)、生物植酸及其鹽類在金防中的應(yīng)用、聚天門冬氨酸的開發(fā)應(yīng)用、天然食品的開發(fā)應(yīng)用等低碳綠色化工新技術(shù),并提出了生態(tài)工業(yè)園區(qū)的創(chuàng)建。

關(guān)鍵詞:低碳綠色化工新技術(shù)

中圖分類號:F120.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)05(b)-0014-02

低碳綠色化工是近些年來發(fā)展起來的一門新興學(xué)科,在科學(xué)發(fā)展日新月異的今天,在各國科學(xué)家的努力之下,已取得了不少成就。

1 新型可再生能源的研發(fā)

我們目前所用的主要能源是石油和煤炭,地球上石油和煤炭的儲存量是有限的,屬于不可再生的、也就是不可持續(xù)發(fā)展的能源。如果在超臨界水中將樹枝等植物中的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素分解成醇等用作能源,由于樹枝等植物是可以再生的,因此這種能源就是可再生的、可持續(xù)發(fā)展的能源。我們目前雖然在很長一段時間內(nèi)仍以使用石油和煤炭等不可再生的能源為主,但由于石油和煤炭總有一天會枯竭,開發(fā)可持續(xù)發(fā)展的再生新能源,是當(dāng)今一項(xiàng)十分迫切的任務(wù)。可再生能源包括:氫能、風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮?、海洋能、生物質(zhì)能等等,這方面的研究已取得了很大的進(jìn)展。我國建立了一批低碳可再生能源的試點(diǎn)示范工程,為產(chǎn)業(yè)化、市場化奠定基礎(chǔ)。

由于氫是一種高效、清潔、可再生的二次能源,一些發(fā)達(dá)國家從20世紀(jì)70年代已開始研究氫能的制備和應(yīng)用。傳統(tǒng)的制氫工藝主要有水解法制氫、烴類水蒸氣重整制氫、重油(或渣油)部分氧化重整制氫等,但由于這些方法存在著效率低、能耗高等諸多缺點(diǎn),因此尋找新的、有效的制氫工藝是各國學(xué)者不斷追尋的目標(biāo)。生物法制氫技術(shù)是一項(xiàng)符合可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求的課題,引起了人們極大重視,德國、日本、瑞典、英國、美國、以色列、葡萄牙、俄羅斯等投入了大量的人力和物力對該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行研究。1999年,我國利用碳水化合物為原料,以厭氧活性污泥進(jìn)行發(fā)酵制氫,實(shí)現(xiàn)了生物制氫技術(shù)的突破,開創(chuàng)了利用非固定化菌種生物制氫的新途徑,首次實(shí)現(xiàn)在中試條件下連續(xù)長期持續(xù)產(chǎn)氫,使我國的生物法工業(yè)制氫技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平。

地球上存在著極其豐富的二氧化碳,二氧化碳作為碳源在自然界中能進(jìn)行循環(huán),例如,人和動植物呼吸,吸入氧氣,呼出二氧化碳,而植物光合作用,吸入二氧化碳,放出氧氣,使地球上的二氧化碳含量固定在一定的范圍內(nèi)。然而,隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展,向大氣中排放大量的二氧化碳,使大氣中的二氧化碳含量逐年提高,打破了其在自然界的良性循環(huán),引起的溫室效應(yīng)使地球的生態(tài)環(huán)境遭到破壞。如何既充分利用二氧化碳,使其成為21世紀(jì)的新能源,以彌補(bǔ)因石油等大量消耗而造成的“碳源危機(jī)”,又能有效地解決溫室效應(yīng)問題,這方面的研究已引起世界各國的重視,并取得了不少的成果。用二氧化碳合成醇、有機(jī)酸、酯類、胺類等以及在催化劑的作用下合成液態(tài)烴和汽油已成為可能。近來,提取和合成光合作用所需的酶,以開發(fā)仿生固定二氧化碳技術(shù)和利用微生物固定二氧化碳、利用海藻固定二氧化碳等技術(shù),已取得了一定的進(jìn)展。

2 環(huán)境無害制冷劑的開發(fā)

作為主要的傳統(tǒng)制冷劑氟里昂,由于其對臭氧層有破壞作用,還會產(chǎn)生溫室效應(yīng),因此已被逐步禁用。目前各國都在研究開發(fā)其替代產(chǎn)品,其中,含氫氯氟烴和氫氟烴兩大類替代品,由于氫分子的存在,會在大氣中被氧化成含氧產(chǎn)物,這些產(chǎn)物進(jìn)一步降解,大部分成為水溶性物質(zhì),可隨降雨而消失,很難達(dá)到平流層,因此對臭氧層破壞的可能性較小。

研究發(fā)現(xiàn),將乙二醇和丙基乙二醇等多元醇混合物,在小于-10℃的溫度下與液氧一起充入密閉容器中混合而成的制冷劑,對大氣臭氧層幾乎沒有破壞能力。

低碳、安全、無環(huán)境污染而有效的自然制冷劑的開發(fā)研究也是目前考慮的一個方向,例如:二氧化碳、氨、丙烷、丁烷混合物等,都具有良好的熱物理性質(zhì),對大氣環(huán)境無害、易獲得,低成本以及與現(xiàn)有設(shè)備基本相容,具有很好的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益,目前尚存在一些安全問題制約著其推廣應(yīng)用。

3 可降解高聚物的研發(fā)

“白色污染”給地球造成了沉重的負(fù)擔(dān),它是由一些難降解的人工合成高聚物造成的。這些高聚物在我們?nèi)粘Ｉ钪刑幪幙梢?例如塑料飯盒、塑料薄膜等等,其使用量特別大。由于它們很自然降解,于自然中很難消除,用焚燒的方法處理又會產(chǎn)生有害物質(zhì),因此,在人們贊譽(yù)它們使用方便的同時,又為它們的堆積如山而感到頭痛。

目前生物可降解高聚物的研究已取得了很大的進(jìn)展。巴西坎皮納斯大學(xué)開發(fā)出一種新的“生物泡沫塑料”,其70%的成分是由粟米、大豆、蓖麻等多種菜油制品提煉而成的,僅30%為石油提煉物。這種低碳生物泡沫塑料可取代傳統(tǒng)泡沫塑料作輕型包裝材料,并可在兩年內(nèi)化解在大自然中,生產(chǎn)成本低,無毒副作用。

此外,還有用己酸、乳酸以及己酸內(nèi)酯聚合而成的脂族聚酯;用己酸內(nèi)脂聚合而成的聚己酸內(nèi)脂;在直鏈淀粉中引入甘油、山梨糖等增塑劑,控制一定的加工條件,生產(chǎn)出如同塑料的高聚物以及聚酯等等。這些高聚物在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境溫度下,通過微生物的作用于可降解成低分子無毒物質(zhì),用它們?nèi)〈y降解高聚物制造各種一次性餐飲具、包裝袋、塑料薄膜等等,“白色污染”將不復(fù)存在。

4 金屬防腐技術(shù)的新進(jìn)展

磷化處理是傳統(tǒng)的防腐方法之一,即將鋼鐵零件放入磷酸鹽溶液中,經(jīng)處理使金屬表面形成一層保護(hù)膜以達(dá)到防腐目的,但磷化過程中產(chǎn)生的含磷、含鉻廢液對環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重污染。同時,為了緩解酸性物質(zhì)對金屬表面的腐蝕,還要加入苯系化合物,在沖洗過程中,多余的酸根和苯系化合物被排放,嚴(yán)重污染周邊環(huán)境。

生物植酸及其鹽類研制成功標(biāo)志著我國金屬表面處理技術(shù)邁入綠色環(huán)保型的世界先進(jìn)行列,北京螯力絡(luò)生物技術(shù)有限公司從稻殼中提取植酸并利用生物過程技術(shù)制成生物植酸及其鹽類產(chǎn)品,將其用于金屬防腐工藝,各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均超過磷化處理技術(shù)指標(biāo)。

5 聚天門冬氨酸的應(yīng)用

聚天門冬氨酸是一種氨基酸的聚合物,它存在于軟體動物和蝸牛的殼中,相對分子質(zhì)量從1000至數(shù)十萬,除了具有水溶液性羧酸的性質(zhì)外,還具有生物可降解特性,且無毒無污染,是一種環(huán)境友好的生物高分子材料,它的用途十分廣泛。

聚天門冬氨酸可用作多價螯合劑、緩蝕劑、阻垢劑,可螯合鈣、鎂、銅、鐵的多價金屬離子,尤其是可以改變鈣離子的晶體結(jié)構(gòu),使其形成軟垢,因而具有很好的緩蝕、阻垢作用,可用于水處理工程、處理鍋爐等。

聚天門冬氨酸可以作肥料和農(nóng)藥,對各種土壤都適用,在土壤中很容易進(jìn)入植物的根部,可吸收和富集氮、磷、鉀及鈣、鎂、硫、銅、錳、鐵、硼等對植物有用的元素,促進(jìn)植物的生長。除直接施用外,還可用作植物種子的包衣,具有提高種子的發(fā)芽率和保墑作用。聚天門冬氨酸還具有良好的殺蟲、滅菌和分散能力,可作農(nóng)藥使用,既可保護(hù)植物不受病蟲害的侵害,又可以與其他農(nóng)藥成分復(fù)配作用,使其在植物表面潤濕、分散、增溶和滲透,充分發(fā)揮農(nóng)藥的藥效,是一種非常引人注目的新一代環(huán)境友好的肥料和農(nóng)藥。

聚天門冬氨酸還是一種可降解的高效吸水性材料。高分子聚天門冬氨酸具有很強(qiáng)的吸水性,可將其加工制成超強(qiáng)吸水劑、膠凝劑、毛巾、尿布以及一些保健用品。

除此以外,聚天門冬氨酸在日用化學(xué)、醫(yī)藥等領(lǐng)域也有十分廣泛的用途,例如,聚天門冬氨酸鈉在漂白劑過氧化物在的情況下仍具有較高的穩(wěn)定性,且生物降解性能好,可取代傳統(tǒng)的分散劑制得餐具洗滌劑等。

由于聚天門冬氨酸具有如此多的優(yōu)點(diǎn)和廣泛的用途,聚天門冬氨酸的人工合成工藝路線備受世界各國大公司的關(guān)注。美國Donlar公司發(fā)明一種熱聚合成聚天門冬氨酸的方法,率先實(shí)現(xiàn)了L-天門冬氨酸工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn),其轉(zhuǎn)化率高于97%。由于這種方法的發(fā)明和應(yīng)用,Donlar公司獲得了1996年美國的“總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎”。

6 天然食用品的開發(fā)應(yīng)用

6.1 天然色素的開發(fā)利用

許多用于食品、飲料的化學(xué)合成色素具有不同程度的毒性,有的甚至致癌。因此世界各國相繼制定法規(guī)淘汰了大多數(shù)有毒害的化學(xué)合成色素,使不僅具有染色功能,還有營養(yǎng)、保健功能,并能賦予食品許多新功能的天然色素有了廣闊的應(yīng)用前景。我國目前已開發(fā)出80余種不同原料來源的天然食用色素,主要品種有焦糖、紅曲米、梔子藍(lán)、高梁紅、甜菜紅、蟲膠紅、葉綠素、紫草紅、紅花黃、蘿卜紅、辣椒紅、姜黃色素、可可殼棕、紫甘藍(lán)色素等。

6.2 番茄紅素的開發(fā)利用

番茄紅素具有抗氧化性和可能的防癌、抗癌作用,正在受到人們的關(guān)注,被子稱為21世紀(jì)保健品的市場的新秀。目前世界上番茄紅素的生產(chǎn)主要是從植物番茄中提取,此外還有化學(xué)合成、生物工程制取等。用超臨界二氧化碳從番茄中萃取番茄紅素的研究在我國已取得了一定的進(jìn)展。我國每年番茄產(chǎn)量巨大,開發(fā)番茄紅素的前景十分看好。

6.3 茶多酚的開發(fā)利用

茶多酚是茶葉中兒茶素類,丙酮類、酚酸類和茶色素類的總稱,因其結(jié)構(gòu)中帶有多個活性羥基故對人體保健極為有利。茶多酚具有抗氧化、色素保護(hù)、除臭、防齲、抗菌、降低血脂等多方面的功能,兒茶素的衍生物還具有抑制癌細(xì)胞增生、抗癌、抗突變效能等,因而備受人們的重視,而今茶多酚已成為醫(yī)藥、食品界研究的熱點(diǎn)。

6.4 松花粉的開發(fā)利用

松花粉又名松黃,它是一種生長在海拔1100米～1500米山區(qū)的中國鄉(xiāng)土樹種——馬尾松和油松的花粉。大自然創(chuàng)造了松樹長青、千年不老的奇跡,其生命之源就是松樹的精細(xì)胞——花粉,古人稱“松柏之氣可以使人長壽”！松花粉藥食兼用的歷史已逾數(shù)千年,并已收入現(xiàn)代中國藥典。2000多年以前,中國歷史上第一部藥典《神農(nóng)本草經(jīng)》中就有關(guān)于“松黃”的記載。

松花粉含有最長壽生命體所需的全部營養(yǎng)成份,其中包括多種蛋白質(zhì)、氨基酸、礦物質(zhì)、酶與輔酶、核酸、單糖、多糖等,種類達(dá)200余種。松花粉中集聚了大量生命元素、豐富的營養(yǎng)成分和生物活性物質(zhì),因此,對人體有很高的保健價值。與蜂源花粉相比,松花粉因系人工采集,故具有花源單一、品質(zhì)純凈、成分穩(wěn)定,未受任何污染,無農(nóng)藥殘留物,不含動物激素等特點(diǎn)。松花粉較其它植物花粉口感均好,服用時感到有淡淡香味,所以松花粉堪稱“花粉之王”。

藥理研究和應(yīng)用表明,松花粉具有延緩衰老、提高血紅細(xì)胞載氧能力、保持血紅細(xì)胞的活力、平衡生命陰陽、五臟安康、大腦養(yǎng)生、調(diào)理亞健康、美容護(hù)膚、松花粉與秀發(fā)等多種功能。

現(xiàn)今已解決了松花粉的采集、貯存、保鮮、破壁等技術(shù),為松花粉的開發(fā)利用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在人類“回歸大自然”的歷史潮流中,天然保健品的地位已越來越突出！祖國醫(yī)藥學(xué)素有“藥食同源”“寓醫(yī)于食”的理論。松花粉這一既古老又嶄新的中華民族傳統(tǒng)藥食兼用的天然食物資源確實(shí)是不可多得的。松花粉的開發(fā)與應(yīng)用,必將對提高中華民族健康素質(zhì)做出有益的貢獻(xiàn)。

7 生態(tài)工業(yè)園區(qū)的創(chuàng)建

自然界中每一個生物種群在生長過程中都有廢物產(chǎn)生,但這些廢物卻是循環(huán)的、互相利用的,因而使自然界中各個生物種群之間的資源與物種得到了協(xié)調(diào)的可持續(xù)發(fā)展,惟一消耗的是太陽能。反思人類傳統(tǒng)的工業(yè)發(fā)展模式,并對照自然界各個生物種群之間協(xié)調(diào)的可持續(xù)發(fā)展模式,人們認(rèn)識到,按自然界的生態(tài)模式來規(guī)劃工業(yè)模式,才能從根本上解決資源、能源和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展問題,從而提出了生態(tài)工業(yè)的概念。

生態(tài)工業(yè)是指仿造自然界生態(tài)過程物質(zhì)循環(huán)的方式來規(guī)劃工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的一種工業(yè)模式,追求的是系統(tǒng)內(nèi)各生產(chǎn)和生活過程從原料、中間產(chǎn)物、廢物到產(chǎn)品的物質(zhì)循環(huán),達(dá)到資源、能源、投資的最優(yōu)化;生態(tài)工業(yè)園區(qū)是生態(tài)工業(yè)的實(shí)踐,是包括若干工業(yè)企業(yè),也包括農(nóng)業(yè)、居民區(qū)的一個區(qū)域系統(tǒng)。目前,生態(tài)工業(yè)和生態(tài)工業(yè)園區(qū)作為一個獨(dú)立的前沿學(xué)科正引起各方面的高度重視。生態(tài)工業(yè)和生態(tài)工業(yè)園區(qū)的構(gòu)想,為實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和實(shí)現(xiàn)真正意義上的綠色化學(xué)化工提出了切實(shí)可行的新途徑。