发展中的低碳绿色化工新技术

李丽心

摘 要:本文叙述了新型可再生能源的研发、环境无害致冷剂的开发、可降解高聚物的研发、生物植酸及其盐类在金防中的应用、聚天门冬氨酸的开发应用、天然食品的开发应用等低碳绿色化工新技术,并提出了生态工业园区的创建。

关键词:低碳绿色化工新技术

中图分类号:F120.3 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)05(b)-0014-02

低碳绿色化工是近些年来发展起来的一门新兴学科,在科学发展日新月异的今天,在各国科学家的努力之下,已取得了不少成就。

1 新型可再生能源的研发

我们目前所用的主要能源是石油和煤炭,地球上石油和煤炭的储存量是有限的,属于不可再生的、也就是不可持续发展的能源。如果在超临界水中将树枝等植物中的纤维素、半纤维素、木质素分解成醇等用作能源,由于树枝等植物是可以再生的,因此这种能源就是可再生的、可持续发展的能源。我们目前虽然在很长一段时间内仍以使用石油和煤炭等不可再生的能源为主,但由于石油和煤炭总有一天会枯竭,开发可持续发展的再生新能源,是当今一项十分迫切的任务。可再生能源包括:氢能、风能、太阳能、地热能、海洋能、生物质能等等,这方面的研究已取得了很大的进展。我国建立了一批低碳可再生能源的试点示范工程,为产业化、市场化奠定基础。

由于氢是一种高效、清洁、可再生的二次能源,一些发达国家从20世纪70年代已开始研究氢能的制备和应用。传统的制氢工艺主要有水解法制氢、烃类水蒸气重整制氢、重油(或渣油)部分氧化重整制氢等,但由于这些方法存在着效率低、能耗高等诸多缺点,因此寻找新的、有效的制氢工艺是各国学者不断追寻的目标。生物法制氢技术是一项符合可持续发展的战略要求的课题,引起了人们极大重视,德国、日本、瑞典、英国、美国、以色列、葡萄牙、俄罗斯等投入了大量的人力和物力对该项技术进行研究。1999年,我国利用碳水化合物为原料,以厌氧活性污泥进行发酵制氢,实现了生物制氢技术的突破,开创了利用非固定化菌种生物制氢的新途径,首次实现在中试条件下连续长期持续产氢,使我国的生物法工业制氢技术处于世界领先水平。

地球上存在着极其丰富的二氧化碳,二氧化碳作为碳源在自然界中能进行循环,例如,人和动植物呼吸,吸入氧气,呼出二氧化碳,而植物光合作用,吸入二氧化碳,放出氧气,使地球上的二氧化碳含量固定在一定的范围内。然而,随着现代工业的发展,向大气中排放大量的二氧化碳,使大气中的二氧化碳含量逐年提高,打破了其在自然界的良性循环,引起的温室效应使地球的生态环境遭到破坏。如何既充分利用二氧化碳,使其成为21世纪的新能源,以弥补因石油等大量消耗而造成的“碳源危机”,又能有效地解决温室效应问题,这方面的研究已引起世界各国的重视,并取得了不少的成果。用二氧化碳合成醇、有机酸、酯类、胺类等以及在催化剂的作用下合成液态烃和汽油已成为可能。近来,提取和合成光合作用所需的酶,以开发仿生固定二氧化碳技术和利用微生物固定二氧化碳、利用海藻固定二氧化碳等技术,已取得了一定的进展。

2 环境无害制冷剂的开发

作为主要的传统制冷剂氟里昂,由于其对臭氧层有破坏作用,还会产生温室效应,因此已被逐步禁用。目前各国都在研究开发其替代产品,其中,含氢氯氟烃和氢氟烃两大类替代品,由于氢分子的存在,会在大气中被氧化成含氧产物,这些产物进一步降解,大部分成为水溶性物质,可随降雨而消失,很难达到平流层,因此对臭氧层破坏的可能性较小。

研究发现,将乙二醇和丙基乙二醇等多元醇混合物,在小于-10℃的温度下与液氧一起充入密闭容器中混合而成的制冷剂,对大气臭氧层几乎没有破坏能力。

低碳、安全、无环境污染而有效的自然制冷剂的开发研究也是目前考虑的一个方向,例如:二氧化碳、氨、丙烷、丁烷混合物等,都具有良好的热物理性质,对大气环境无害、易获得,低成本以及与现有设备基本相容,具有很好的应用前景和经济效益,目前尚存在一些安全问题制约着其推广应用。

3 可降解高聚物的研发

“白色污染”给地球造成了沉重的负担,它是由一些难降解的人工合成高聚物造成的。这些高聚物在我们日常生活中处处可见,例如塑料饭盒、塑料薄膜等等,其使用量特别大。由于它们很自然降解,于自然中很难消除,用焚烧的方法处理又会产生有害物质,因此,在人们赞誉它们使用方便的同时,又为它们的堆积如山而感到头痛。

目前生物可降解高聚物的研究已取得了很大的进展。巴西坎皮纳斯大学开发出一种新的“生物泡沫塑料”,其70%的成分是由粟米、大豆、蓖麻等多种菜油制品提炼而成的,仅30%为石油提炼物。这种低碳生物泡沫塑料可取代传统泡沫塑料作轻型包装材料,并可在两年内化解在大自然中,生产成本低,无毒副作用。

此外,还有用己酸、乳酸以及己酸内酯聚合而成的脂族聚酯;用己酸内脂聚合而成的聚己酸内脂;在直链淀粉中引入甘油、山梨糖等增塑剂,控制一定的加工条件,生产出如同塑料的高聚物以及聚酯等等。这些高聚物在适当的环境温度下,通过微生物的作用于可降解成低分子无毒物质,用它们取代难降解高聚物制造各种一次性餐饮具、包装袋、塑料薄膜等等,“白色污染”将不复存在。

4 金属防腐技术的新进展

磷化处理是传统的防腐方法之一,即将钢铁零件放入磷酸盐溶液中,经处理使金属表面形成一层保护膜以达到防腐目的,但磷化过程中产生的含磷、含铬废液对环境产生严重污染。同时,为了缓解酸性物质对金属表面的腐蚀,还要加入苯系化合物,在冲洗过程中,多余的酸根和苯系化合物被排放,严重污染周边环境。

生物植酸及其盐类研制成功标志着我国金属表面处理技术迈入绿色环保型的世界先进行列,北京螯力络生物技术有限公司从稻壳中提取植酸并利用生物过程技术制成生物植酸及其盐类产品,将其用于金属防腐工艺,各项技术指标均超过磷化处理技术指标。

5 聚天门冬氨酸的应用

聚天门冬氨酸是一种氨基酸的聚合物,它存在于软体动物和蜗牛的壳中,相对分子质量从1000至数十万,除了具有水溶液性羧酸的性质外,还具有生物可降解特性,且无毒无污染,是一种环境友好的生物高分子材料,它的用途十分广泛。

聚天门冬氨酸可用作多价螯合剂、缓蚀剂、阻垢剂,可螯合钙、镁、铜、铁的多价金属离子,尤其是可以改变钙离子的晶体结构,使其形成软垢,因而具有很好的缓蚀、阻垢作用,可用于水处理工程、处理锅炉等。

聚天门冬氨酸可以作肥料和农药,对各种土壤都适用,在土壤中很容易进入植物的根部,可吸收和富集氮、磷、钾及钙、镁、硫、铜、锰、铁、硼等对植物有用的元素,促进植物的生长。除直接施用外,还可用作植物种子的包衣,具有提高种子的发芽率和保墒作用。聚天门冬氨酸还具有良好的杀虫、灭菌和分散能力,可作农药使用,既可保护植物不受病虫害的侵害,又可以与其他农药成分复配作用,使其在植物表面润湿、分散、增溶和渗透,充分发挥农药的药效,是一种非常引人注目的新一代环境友好的肥料和农药。

聚天门冬氨酸还是一种可降解的高效吸水性材料。高分子聚天门冬氨酸具有很强的吸水性,可将其加工制成超强吸水剂、胶凝剂、毛巾、尿布以及一些保健用品。

除此以外,聚天门冬氨酸在日用化学、医药等领域也有十分广泛的用途,例如,聚天门冬氨酸钠在漂白剂过氧化物在的情况下仍具有较高的稳定性,且生物降解性能好,可取代传统的分散剂制得餐具洗涤剂等。

由于聚天门冬氨酸具有如此多的优点和广泛的用途,聚天门冬氨酸的人工合成工艺路线备受世界各国大公司的关注。美国Donlar公司发明一种热聚合成聚天门冬氨酸的方法,率先实现了L-天门冬氨酸工业规模的生产,其转化率高于97%。由于这种方法的发明和应用,Donlar公司获得了1996年美国的“总统绿色化学挑战奖”。

6 天然食用品的开发应用

6.1 天然色素的开发利用

许多用于食品、饮料的化学合成色素具有不同程度的毒性,有的甚至致癌。因此世界各国相继制定法规淘汰了大多数有毒害的化学合成色素,使不仅具有染色功能,还有营养、保健功能,并能赋予食品许多新功能的天然色素有了广阔的应用前景。我国目前已开发出80余种不同原料来源的天然食用色素,主要品种有焦糖、红曲米、栀子蓝、高梁红、甜菜红、虫胶红、叶绿素、紫草红、红花黄、萝卜红、辣椒红、姜黄色素、可可壳棕、紫甘蓝色素等。

6.2 番茄红素的开发利用

番茄红素具有抗氧化性和可能的防癌、抗癌作用,正在受到人们的关注,被子称为21世纪保健品的市场的新秀。目前世界上番茄红素的生产主要是从植物番茄中提取,此外还有化学合成、生物工程制取等。用超临界二氧化碳从番茄中萃取番茄红素的研究在我国已取得了一定的进展。我国每年番茄产量巨大,开发番茄红素的前景十分看好。

6.3 茶多酚的开发利用

茶多酚是茶叶中儿茶素类,丙酮类、酚酸类和茶色素类的总称,因其结构中带有多个活性羟基故对人体保健极为有利。茶多酚具有抗氧化、色素保护、除臭、防龋、抗菌、降低血脂等多方面的功能,儿茶素的衍生物还具有抑制癌细胞增生、抗癌、抗突变效能等,因而备受人们的重视,而今茶多酚已成为医药、食品界研究的热点。

6.4 松花粉的开发利用

松花粉又名松黄,它是一种生长在海拔1100米～1500米山区的中国乡土树种——马尾松和油松的花粉。大自然创造了松树长青、千年不老的奇迹,其生命之源就是松树的精细胞——花粉,古人称“松柏之气可以使人长寿”！松花粉药食兼用的历史已逾数千年,并已收入现代中国药典。2000多年以前,中国历史上第一部药典《神农本草经》中就有关于“松黄”的记载。

松花粉含有最长寿生命体所需的全部营养成份,其中包括多种蛋白质、氨基酸、矿物质、酶与辅酶、核酸、单糖、多糖等,种类达200余种。松花粉中集聚了大量生命元素、丰富的营养成分和生物活性物质,因此,对人体有很高的保健价值。与蜂源花粉相比,松花粉因系人工采集,故具有花源单一、品质纯净、成分稳定,未受任何污染,无农药残留物,不含动物激素等特点。松花粉较其它植物花粉口感均好,服用时感到有淡淡香味,所以松花粉堪称“花粉之王”。

药理研究和应用表明,松花粉具有延缓衰老、提高血红细胞载氧能力、保持血红细胞的活力、平衡生命阴阳、五脏安康、大脑养生、调理亚健康、美容护肤、松花粉与秀发等多种功能。

现今已解决了松花粉的采集、贮存、保鲜、破壁等技术,为松花粉的开发利用打下了坚实的基础。在人类“回归大自然”的历史潮流中,天然保健品的地位已越来越突出！祖国医药学素有“药食同源”“寓医于食”的理论。松花粉这一既古老又崭新的中华民族传统药食兼用的天然食物资源确实是不可多得的。松花粉的开发与应用,必将对提高中华民族健康素质做出有益的贡献。

7 生态工业园区的创建

自然界中每一个生物种群在生长过程中都有废物产生,但这些废物却是循环的、互相利用的,因而使自然界中各个生物种群之间的资源与物种得到了协调的可持续发展,惟一消耗的是太阳能。反思人类传统的工业发展模式,并对照自然界各个生物种群之间协调的可持续发展模式,人们认识到,按自然界的生态模式来规划工业模式,才能从根本上解决资源、能源和环境的可持续发展问题,从而提出了生态工业的概念。

生态工业是指仿造自然界生态过程物质循环的方式来规划工业生产系统的一种工业模式,追求的是系统内各生产和生活过程从原料、中间产物、废物到产品的物质循环,达到资源、能源、投资的最优化;生态工业园区是生态工业的实践,是包括若干工业企业,也包括农业、居民区的一个区域系统。目前,生态工业和生态工业园区作为一个独立的前沿学科正引起各方面的高度重视。生态工业和生态工业园区的构想,为实施可持续发展战略和实现真正意义上的绿色化学化工提出了切实可行的新途径。