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【化學(xué)青春在路上】張曉昕：?我所參與的“綠色化工”研究

發(fā)布日期：2024/1/15 13:45:00

2006年中國化學(xué)會青年化學(xué)獎獲得者

化學(xué)，作為發(fā)現(xiàn)與創(chuàng)造的科學(xué)，為研究人員展現(xiàn)了廣闊的探索空間，但作為一個來自企業(yè)研究院的研究人員，更多的是在化工行業(yè)的轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展方面進(jìn)行研究開發(fā)。1999年我從中國石化石油化工科學(xué)研究院博士畢業(yè)后，主要在非晶態(tài)合金磁性催化材料、超臨界工程技術(shù)和費托合成反應(yīng)工程等領(lǐng)域進(jìn)行基礎(chǔ)和應(yīng)用研究研究，深入工廠進(jìn)行催化材料中試放大和工業(yè)生產(chǎn)，以及催化劑應(yīng)用工藝開發(fā)、工藝工程建設(shè)和工程開工工作。研究過程中獲2004年度中國石油化工集團(tuán)公司“杰出青年創(chuàng)新創(chuàng)效獎”，2006年度中國化學(xué)會青年化學(xué)獎，2007年度侯祥麟石油加工科學(xué)技術(shù)獎和第十屆中國青年科技獎稱號。

對于我來講，青年化學(xué)獎是我科研生涯中一個重要的、一生難以忘記的新起點，我獲得青年化學(xué)獎是在2006年，那時我還是一名普通的科技人員，在科學(xué)探索的道路上剛剛起步?；叵胛覐氖驴茖W(xué)探索的歷程，正是中國青年化學(xué)獎在起步時給予我的獎勵，使我時刻銘記化學(xué)會對我成長的關(guān)懷，才使我在科學(xué)探索的道路上有了立志創(chuàng)新的動力和壓力，它不僅僅是對我以往工作的肯定，更是對我今后工作的鞭策。

我1996年考入石油化工科學(xué)研究院攻讀博士學(xué)位，師從閔恩澤院士，畢業(yè)后留在石科院基礎(chǔ)研究室，在閔恩澤院士、何鳴元院士和舒興田院士的領(lǐng)導(dǎo)下工作，幾位院士在綠色化學(xué)和傳統(tǒng)化學(xué)化工行業(yè)的轉(zhuǎn)型改造方面的思路始終影響著我，我十幾年的科研工作在致力于催化材料創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，也融入了綠色化學(xué)技術(shù)的研究開發(fā)內(nèi)容。

20世紀(jì)，化學(xué)工業(yè)為人類帶來了巨大財富，同時也帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染。20世紀(jì)90年代初期，國際上“綠色化學(xué)”和“環(huán)境友好”概念剛剛出現(xiàn)于媒體，閔恩澤院士就率先在國內(nèi)扛起這面新鮮旗幟。1997年，由國家自然科學(xué)基金委員會和中國石油化工集團(tuán)公司聯(lián)合資助的“九五”重大基礎(chǔ)研究項目“環(huán)境友好石油化工催化化學(xué)與化學(xué)反應(yīng)工程”啟動，閔恩澤院士任項目主持人。我1999年作為他的博士研究生，參與其中“非晶態(tài)合金催化材料”的研究工作。2000年，作為技術(shù)骨干參與何鳴元院士主持的國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（“973”計劃）項目“石油煉制和基本有機(jī)化學(xué)品合成的綠色化學(xué)”，該項目于2005年結(jié)題，項目在綠色化學(xué)領(lǐng)域“囤積”了多項技術(shù)基礎(chǔ)，為我國生產(chǎn)滿足歐Ⅲ、歐Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)排放的汽柴油生產(chǎn)和綠色清潔生產(chǎn)己內(nèi)酰胺等有機(jī)化學(xué)品提供了有力的技術(shù)支撐。2006年，作為主要技術(shù)骨干協(xié)助達(dá)志堅首席科學(xué)家申請并完成了“973”項目“石油資源高效利用的綠色可持續(xù)化學(xué)”，該項目的實施為我國生產(chǎn)滿足歐Ⅳ、歐Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)排放的汽柴油生產(chǎn)提供了有力的技術(shù)支撐。2011年，協(xié)助宗保寧首席科學(xué)家申請了“973”項目“高效綠色煉油技術(shù)的化學(xué)和工程基礎(chǔ)”，該項目為滿足國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的車用燃料的生產(chǎn)、未來車用燃料標(biāo)準(zhǔn)的制訂、高附加值石化產(chǎn)品的綠色化生產(chǎn)提供支撐。目前，該項目正在有序執(zhí)行中。

具體來說，針對我國化工制造業(yè)仍然大量使用污染嚴(yán)重的鐵粉、水合肼、硫化堿的現(xiàn)狀，以從源頭上解決還原過程的污染問題為目標(biāo)，我比較系統(tǒng)地開展了化學(xué)品選擇加氫催化劑及催化加氫清潔還原技術(shù)的研究。

作為主要技術(shù)骨干開發(fā)了非晶態(tài)合金加氫催化劑，并在己內(nèi)酰胺加氫精制等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用。非晶態(tài)合金是一類具有短程有序、長程無序結(jié)構(gòu)特點的新材料。由于沒有三維空間原子排列周期性，易于形成具有某些特點的催化活性中心。從研究非晶態(tài)合金催化劑活性相本質(zhì)出發(fā)，建立了急冷鎳基非晶態(tài)合金堿抽提的內(nèi)核收縮模型，闡明了急冷非晶態(tài)鎳合金催化劑與Raney Ni催化劑在織構(gòu)、結(jié)構(gòu)上的差異，為理解二者不同的催化性能奠定了基礎(chǔ)。并通過系統(tǒng)研究合金冷卻速度、第三組分對急冷Ni催化劑織構(gòu)、結(jié)構(gòu)的影響，得到了制備條件及修飾劑對急冷Ni催化劑結(jié)構(gòu)、組成的影響規(guī)律。這些規(guī)律加深了對非晶態(tài)合金催化劑制備、反應(yīng)過程的微觀理解，為非晶態(tài)催化劑的設(shè)計提供了堅實的基礎(chǔ)，并推進(jìn)了非晶態(tài)合金催化劑在綠色化學(xué)過程中的應(yīng)用。目前，針對不同化學(xué)官能團(tuán)的加氫反應(yīng)已形成了系列鎳基非晶態(tài)合金催化劑并實現(xiàn)了工業(yè)生產(chǎn)。與傳統(tǒng)Raney Ni催化劑相比，形成的系列鎳基非晶態(tài)合金催化劑對含不同官能團(tuán)的有機(jī)化合物的催化加氫性能更優(yōu)異。鎳基非晶態(tài)合金催化劑除在己內(nèi)酰胺加氫精制領(lǐng)域成功工業(yè)應(yīng)用外，其系列產(chǎn)品已在間苯二甲腈加氫制備間苯二甲胺過程、葡萄糖加氫制山梨醇過程、藥物中間體加氫過程獲得工業(yè)應(yīng)用。此外，在技術(shù)拓展應(yīng)用方面，將急冷技術(shù)拓展應(yīng)用于鈷基、鐵基和銅基微晶合金催化劑的研究，相繼開發(fā)了鈷基合金催化劑、鐵基合金催化劑應(yīng)用于費托合成反應(yīng)過程；銅基合金催化劑應(yīng)用于多晶硅的生產(chǎn)中。

負(fù)責(zé)開發(fā)的鎳基非晶態(tài)合金甲烷化助劑和釕基甲烷化助劑分別于2001年和2003年實現(xiàn)了工業(yè)應(yīng)用。作為優(yōu)良的加氫催化劑，鈀催化劑廣泛應(yīng)用于石油加工、制藥、精細(xì)化工等行業(yè)的諸多領(lǐng)域，尤其在一些含有羰基的芳香族化合物的加氫反應(yīng)中用量很大。在這類有機(jī)物的加氫過程中，由于脫羧基副反應(yīng)產(chǎn)生CO會強(qiáng)烈吸附在貴金屬Pd的表面，會引起催化劑的中毒，鈀催化劑的活性會持續(xù)降低。從意大利SNIA公司引進(jìn)的甲苯法制備己內(nèi)酰胺的工藝路線（SNIA工藝）中苯甲酸加氫就是這樣的過程，由于受CO中毒的影響，苯甲酸加氫反應(yīng)系統(tǒng)催化劑Pd/C的活性只能維持在低水平，催化劑活性偏低影響了生產(chǎn)負(fù)荷的提高，只能維持在70%以下。Pd/C活性低成為該廠己內(nèi)酰胺生產(chǎn)的瓶頸。在詳細(xì)分析Pd/C催化劑失活原因的基礎(chǔ)上，利用鎳基非晶態(tài)合金良好的CO甲烷化能力，將反應(yīng)生產(chǎn)的CO轉(zhuǎn)化為甲烷，開發(fā)了“鈀碳催化劑抗中毒方法”技術(shù)，解決了這個難題。該技術(shù)包括兩方面的內(nèi)容：第一，開發(fā)了高效的鎳基非晶態(tài)合金CO甲烷化催化劑；第二，通過增加旋液分離器及磁分離裝置，開發(fā)了適合兩種催化劑同時使用的苯甲酸加氫新工藝。工業(yè)試驗結(jié)果證明，加入甲烷化助劑后提高了Pd/C催化劑的循環(huán)活性、穩(wěn)定性和選擇性，從而提高生產(chǎn)能力和產(chǎn)品質(zhì)量，同等條件下Pd/C催化劑用量降低了40%，氫氣利用率提高了13%。該技術(shù)也拓寬了鎳基非晶態(tài)合金催化劑的應(yīng)用領(lǐng)域。

作為主要技術(shù)骨干參與完成了3.5萬噸/年磁穩(wěn)定床己內(nèi)酰胺加氫精制工業(yè)裝置的開發(fā)試驗和建設(shè)工作，在國際上首次實現(xiàn)了磁穩(wěn)定床反應(yīng)器的工業(yè)應(yīng)用。將非晶態(tài)合金催化劑與磁穩(wěn)定床反應(yīng)器工程技術(shù)相結(jié)合，解決了均勻磁場放大的技術(shù)難題，實現(xiàn)了磁場對催化劑的有效控制和流體的均勻分布，創(chuàng)造性地開發(fā)出磁穩(wěn)定床己內(nèi)酰胺加氫精制新工藝。建成一套設(shè)計能力處理純己內(nèi)酰胺3.5萬噸/年的磁穩(wěn)定床加氫精制工業(yè)裝置，該裝置在增大磁場強(qiáng)度后，實際生產(chǎn)能力已達(dá)到6.5萬噸/年，取代了原有釜式加氫精制裝置。磁穩(wěn)定床加氫精制工藝，與原有的釜式工藝相比，操作溫度降低10℃，催化劑耗量降低33%，產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)一步提高，為企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。新催化材料非晶態(tài)合金催化劑和新反應(yīng)器磁穩(wěn)定床的結(jié)合，形成了具有強(qiáng)化反應(yīng)過程特性的“非晶態(tài)合金催化劑和磁穩(wěn)定床反應(yīng)工藝的集成”加氫技術(shù)，并在己內(nèi)酰胺加氫精制工藝中獲得了應(yīng)用和推廣。其“平臺”特性，使本技術(shù)在醫(yī)藥中間體和食品添加劑等精細(xì)化工產(chǎn)品生產(chǎn)中具推廣價值。

在“綠色化學(xué)工程”領(lǐng)域，作為項目負(fù)責(zé)人開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的超臨界流體再生催化劑技術(shù)。超臨界流體是指處于臨界溫度和臨界壓力以上的流體。超臨界流體的一些獨特的性質(zhì)使其成為新工業(yè)領(lǐng)域關(guān)注的焦點，尤其在“能源危機(jī)”緊迫和“環(huán)境污染”日益嚴(yán)重的情況下，此項技術(shù)在化工、能源、燃料、醫(yī)藥、食品等領(lǐng)域的應(yīng)用更引起持續(xù)關(guān)注。作為負(fù)責(zé)人承擔(dān)的中國石油化工股份有限公司項目“超臨界再生催化劑”課題歷經(jīng)三年攻關(guān)，通過分別在1.4L和24L超臨界裝置上進(jìn)行工程放大研究，解決了超臨界流體技術(shù)應(yīng)用于石油化工領(lǐng)域在密封、處理微米級粉狀物以及工程方面的關(guān)鍵技術(shù)難題。建成500L×2超臨界再生催化劑裝置，并一次投料試車成功。該技術(shù)于2006年3月通過中國石油化工股份有限公司組織的技術(shù)鑒定，該技術(shù)“首次將超臨界技術(shù)工業(yè)應(yīng)用于石油化工行業(yè)失活催化劑的再生，為催化劑離線再生開拓了一條新的技術(shù)路線”。

來源：《化學(xué)的傳承與創(chuàng)新》

“化學(xué)青春在路上”專題分享內(nèi)容部分來源于學(xué)會2013年編纂出版的圖書《化學(xué)的傳承與創(chuàng)新》，本書收錄了青年化學(xué)獎自1983年設(shè)立至2012年30年間的48位獲獎?wù)叩母醒浴?/p>

中國化學(xué)會青年化學(xué)獎，設(shè)立于1983年。主要授予在化學(xué)基礎(chǔ)及前沿研究領(lǐng)域、應(yīng)用及工程工業(yè)領(lǐng)域或化學(xué)教育領(lǐng)域能夠創(chuàng)新、改進(jìn)并獨立完成工作，年齡不超過35周歲的優(yōu)秀化學(xué)青年工作者。每年評選10位獲獎?wù)?，旨在開發(fā)智力資源，培養(yǎng)化學(xué)科技人才，鼓勵廣大青年投身于我國的化學(xué)科學(xué)事業(yè)，促進(jìn)我國的化學(xué)事業(yè)的發(fā)展。

2023年，正值中國化學(xué)會青年化學(xué)獎設(shè)立40周年，這是中國化學(xué)會設(shè)立最早的學(xué)術(shù)獎勵，40年來，已產(chǎn)生362位獲獎?wù)?。為慶祝中國化學(xué)會青年化學(xué)獎設(shè)立40周年，我們特別企劃了“化學(xué)青春在路上”專題分享，將陸續(xù)推出獲獎人與青年化學(xué)獎相關(guān)的故事及感言。期待這些分享能為更多正在化學(xué)科研之路前行的青年人帶來啟迪與共鳴。

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