微化工領域的研究將成為化工行業轉型升級的重要發展方向
————訪清華大學化工系副教授 博導 張吉松
今年兩會的政府工作報告提出，為應對氣候變化，要推動以二氧化碳為主的溫室氣體減排，力爭到2030年二氧化碳排放達到峰值，2060年實現碳中和。這是“碳中和”和“碳達峰”被首次寫入政府工作報告中，引起全社會的廣泛熱議。在此大背景下舉辦的“2021第二屆全國催化加氫工藝及催化劑技術開發與工業應用交流研討會”注定備受關注。
催化加氫技術是醫藥和精細化工和其他有機合成中的核心技術，也是化工生產當中的核心技術，是一種可促進節能減排和清潔生產的工藝，能夠起到縮短反應時間、提高原料利用率和產物收率的作用，同時又能減少污染物的排放，降低生產成本。對環保領域、能源領域、醫藥領域而言，開展催化加氫技術的科學研究具有重大意義。
然而催化加氫技術目前發展到什么階段？市場應用情況如何？帶著這些問題我們采訪了業內知名專家，清華大學化工系博導張吉松副教授。從他個人及團隊多年來的學術研究出發，深入探討關于催化加氫技術的方方面面。
張吉松接受本網記者專訪
化工儀器網：是什么因素讓您選擇了微化工這個科研方向？
張吉松：第一次接觸到微化工技術是在大三時，當時微化工技術處于初期階段，尚未有具體的科研成果面世，相關介紹處于理論層面，實驗室相關的科研工作也是很少。但是當時我們關注到相關文獻中多次提到這個技術可以應用到有機合成領域，彼時的化工行業整體上一直是往大型化發展，基于專業敏感性和對化工的認識，我們意識到通過微反應器效率的提高，把設備往微型化、高效化發展，將是化工行業一個重要的發展方向。然而微反應器的應用領域覆蓋范圍廣泛，包括高分子材料、納米材料、分離技術等，其有機合成涉及到物質的轉化，涉及到的實際問題較多，我覺得這個的意義更大，加上我的導師駱廣生教授的指導，就堅定選擇了微反應器有機合成的方向。進入麻省理工后，接觸到一些國際上新的理念，也就是流動化學在原料藥行業的應用，當時國內在原料藥有機合成這個領域的科研較少，我意識到這很可能成為一個新的增長點，特別是加氫過程，由于其工藝的復雜性，成為該技術科研攻關的一個痛點難點，具有較高的科研價值，回國后就一直往這個方向開展科研工作。
化工儀器網：2020年是十三五的收官之年，四部委聯合發布《推動原料藥產業綠色發展的指導意見》，提出5年突破20項以上綠色關鍵共性技術，基本實現行業綠色生產技術替代。也就是說在接下來的“十四五”期間，這基本就是原料藥產業發展的方向。能否從您研究的領域出發，談談如何實現綠色關鍵共性技術突破？
張吉松：目前，我國已經成為世界上最重要的原料藥生產基地，所以國內原料藥行業的健康發展對整個行業的發展具有重要的影響。但是目前行業內存在著效率低、污染嚴重等問題，業界普遍認為，流動化學將來可以成為改變原料藥合成的革命性技術。從技術角度而言，如微反應器為代表的技術力量，將來可有效推動原料藥行業更加健康地發展，而從我們開展的連續加氫工藝來講，我們有信心該技術未來將在保障本質安全、降低企業成本、解決污染等方面起到重要作用。此外，通過流動化學減少催化劑的使用，從資源角度有望可以為國家節省大量的貴金屬資源，從環保角度做到減少污染的作用，從成本角度爭取生產成本的降低。
化工儀器網：您所在的微反應課題組是國內最早從事微化工技術研究的單位之一，現在您本人也同時承擔著國家自然科學基金委的幾項重點科研項目，可否談談現在進展如何？接下來又有怎樣的計劃？
張吉松：2020年參與了我的導師駱廣生教授的一個重大專項的課題研究，這個項目也是微化工領域的第一個重大專項。從微化工合成、納米材料以及微反應器系統的放大等方面做了規劃和研究，目前項目進展順利，相關工作正逐步有序地推進中。而我本人主要是承擔高化能體系的加氫反應，也就是硝基加氫過程。硝基加氫具有巨大的能量，但這項工藝相關的安全問題也很突出，所以我們針對它的反應機理、反應動力學、脫氯的副作用以及催化劑的特性、反應器的特性對反應過程的流動等進行了深入研究。目前已與相關企業開展了合作，從合作結果來看，無論是催化劑的反應效果、整個系統的運行時間、過程的成本還是反應的收率都得到了大幅的提升，達到了預期的理想效果，希望在接下來的5年內實現大規模生產和應用。
此外還承擔著一項面上基金和優秀青年基金的科研項目，主要是圍繞微填充床反應器，涉及到的流動、傳質和反應行為，目前在業界與之相關的科研工作較少，極大限制了微填充床反應器后續的生產，所以我們著重針對流體力學和傳質等開展了科學研究，希望對新型微反應器的認識能達到更為深入的水平來指導后續的放大工作。
化工儀器網：對于催化加氫技術的開發與應用，目前國內學術界的發展是怎樣的？您對該技術未來發展持有什么樣的看法？
張吉松：目前催化加氫工藝已應用到多個領域中，比如石油化工、煤化工領域。包括我所在的課題組開展的以原料藥為代表的精細化工領域，然而相較于設備、工藝都已經比較成熟的石油化工、煤化工領域，原料藥催化加氫的研究相對而言，起步較晚，在工藝和設備上處于起步階段。業界普遍圍繞怎么研究催化劑、改變催化劑，從而提高效率的研究，但對于精細化工而言，這個行業長久以來主要是以有機化學家為主導開展相關科研工作，從實驗室研發、工藝設計到放大生產，采用的是從有機化學領域的方式方法，而實際上這樣的研究是不充分的，不管是催化劑技術還是對工藝的理解以及設備都不是目前化工領域最好的選擇，從這個角度來講，未來還需加強化學、化工以及催化劑等多個方面的綜合研究。
后記
作為關系國計民生的一項基礎工業，化學工業幾乎涵蓋了社會生產、生活的方方面面，包括工業生產、能源、航天、國防科工、食品藥品等。對于推動二氧化碳減排而言，勢必要進一步優化產業結構和能源結構，促使產業結構調整和升級，推動能源的高效利用，而延長產品鏈、提高附加值，開展微化工領域的研究是當今全球化學工業的發展方向，也是我國化學工業轉型升級的核心內容，可以說微化工領域的發展必將影響整體的節能減排戰略，投入到微化工領域的研究也將成為化工行業的重要課題。
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