微化工領(lǐng)域的研究將成為化工行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要發(fā)展方向
————訪清華大學(xué)化工系副教授 博導(dǎo) 張吉松
今年兩會(huì)的政府工作報(bào)告提出，為應(yīng)對(duì)氣候變化，要推動(dòng)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(dá)到峰值，2060年實(shí)現(xiàn)碳中和。這是“碳中和”和“碳達(dá)峰”被首次寫入政府工作報(bào)告中，引起全社會(huì)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(shù)開發(fā)與工業(yè)應(yīng)用交流研討會(huì)”注定備受關(guān)注。
催化加氫技術(shù)是醫(yī)藥和精細(xì)化工和其他有機(jī)合成中的核心技術(shù)，也是化工生產(chǎn)當(dāng)中的核心技術(shù)，是一種可促進(jìn)節(jié)能減排和清潔生產(chǎn)的工藝，能夠起到縮短反應(yīng)時(shí)間、提高原料利用率和產(chǎn)物收率的作用，同時(shí)又能減少污染物的排放，降低生產(chǎn)成本。對(duì)環(huán)保領(lǐng)域、能源領(lǐng)域、醫(yī)藥領(lǐng)域而言，開展催化加氫技術(shù)的科學(xué)研究具有重大意義。
然而催化加氫技術(shù)目前發(fā)展到什么階段？市場應(yīng)用情況如何？帶著這些問題我們采訪了業(yè)內(nèi)知名專家，清華大學(xué)化工系博導(dǎo)張吉松副教授。從他個(gè)人及團(tuán)隊(duì)多年來的學(xué)術(shù)研究出發(fā)，深入探討關(guān)于催化加氫技術(shù)的方方面面。
張吉松接受本網(wǎng)記者專訪
化工儀器網(wǎng)：是什么因素讓您選擇了微化工這個(gè)科研方向？
張吉松：第一次接觸到微化工技術(shù)是在大三時(shí)，當(dāng)時(shí)微化工技術(shù)處于初期階段，尚未有具體的科研成果面世，相關(guān)介紹處于理論層面，實(shí)驗(yàn)室相關(guān)的科研工作也是很少。但是當(dāng)時(shí)我們關(guān)注到相關(guān)文獻(xiàn)中多次提到這個(gè)技術(shù)可以應(yīng)用到有機(jī)合成領(lǐng)域，彼時(shí)的化工行業(yè)整體上一直是往大型化發(fā)展，基于專業(yè)敏感性和對(duì)化工的認(rèn)識(shí)，我們意識(shí)到通過微反應(yīng)器效率的提高，把設(shè)備往微型化、高效化發(fā)展，將是化工行業(yè)一個(gè)重要的發(fā)展方向。然而微反應(yīng)器的應(yīng)用領(lǐng)域覆蓋范圍廣泛，包括高分子材料、納米材料、分離技術(shù)等，其有機(jī)合成涉及到物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，涉及到的實(shí)際問題較多，我覺得這個(gè)的意義更大，加上我的導(dǎo)師駱廣生教授的指導(dǎo)，就堅(jiān)定選擇了微反應(yīng)器有機(jī)合成的方向。進(jìn)入麻省理工后，接觸到一些國際上新的理念，也就是流動(dòng)化學(xué)在原料藥行業(yè)的應(yīng)用，當(dāng)時(shí)國內(nèi)在原料藥有機(jī)合成這個(gè)領(lǐng)域的科研較少，我意識(shí)到這很可能成為一個(gè)新的增長點(diǎn)，特別是加氫過程，由于其工藝的復(fù)雜性，成為該技術(shù)科研攻關(guān)的一個(gè)痛點(diǎn)難點(diǎn)，具有較高的科研價(jià)值，回國后就一直往這個(gè)方向開展科研工作。
化工儀器網(wǎng)：2020年是十三五的收官之年，四部委聯(lián)合發(fā)布《推動(dòng)原料藥產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展的指導(dǎo)意見》，提出5年突破20項(xiàng)以上綠色關(guān)鍵共性技術(shù)，基本實(shí)現(xiàn)行業(yè)綠色生產(chǎn)技術(shù)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(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向。能否從您研究的領(lǐng)域出發(fā)，談?wù)勅绾螌?shí)現(xiàn)綠色關(guān)鍵共性技術(shù)突破？
張吉松：目前，我國已經(jīng)成為世界上最重要的原料藥生產(chǎn)基地，所以國內(nèi)原料藥行業(yè)的健康發(fā)展對(duì)整個(gè)行業(yè)的發(fā)展具有重要的影響。但是目前行業(yè)內(nèi)存在著效率低、污染嚴(yán)重等問題，業(yè)界普遍認(rèn)為，流動(dòng)化學(xué)將來可以成為改變?cè)纤幒铣傻母锩约夹g(shù)。從技術(shù)角度而言，如微反應(yīng)器為代表的技術(shù)力量，將來可有效推動(dòng)原料藥行業(yè)更加健康地發(fā)展，而從我們開展的連續(xù)加氫工藝來講，我們有信心該技術(shù)未來將在保障本質(zhì)安全、降低企業(yè)成本、解決污染等方面起到重要作用。此外，通過流動(dòng)化學(xué)減少催化劑的使用，從資源角度有望可以為國家節(jié)省大量的貴金屬資源，從環(huán)保角度做到減少污染的作用，從成本角度爭取生產(chǎn)成本的降低。
化工儀器網(wǎng)：您所在的微反應(yīng)課題組是國內(nèi)最早從事微化工技術(shù)研究的單位之一，現(xiàn)在您本人也同時(shí)承擔(dān)著國家自然科學(xué)基金委的幾項(xiàng)重點(diǎn)科研項(xiàng)目，可否談?wù)劕F(xiàn)在進(jìn)展如何？接下來又有怎樣的計(jì)劃？
張吉松：2020年參與了我的導(dǎo)師駱廣生教授的一個(gè)重大專項(xiàng)的課題研究，這個(gè)項(xiàng)目也是微化工領(lǐng)域的第一個(gè)重大專項(xiàng)。從微化工合成、納米材料以及微反應(yīng)器系統(tǒng)的放大等方面做了規(guī)劃和研究，目前項(xiàng)目進(jìn)展順利，相關(guān)工作正逐步有序地推進(jìn)中。而我本人主要是承擔(dān)高化能體系的加氫反應(yīng)，也就是硝基加氫過程。硝基加氫具有巨大的能量，但這項(xiàng)工藝相關(guān)的安全問題也很突出，所以我們針對(duì)它的反應(yīng)機(jī)理、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、脫氯的副作用以及催化劑的特性、反應(yīng)器的特性對(duì)反應(yīng)過程的流動(dòng)等進(jìn)行了深入研究。目前已與相關(guān)企業(yè)開展了合作，從合作結(jié)果來看，無論是催化劑的反應(yīng)效果、整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間、過程的成本還是反應(yīng)的收率都得到了大幅的提升，達(dá)到了預(yù)期的理想效果，希望在接下來的5年內(nèi)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。
此外還承擔(dān)著一項(xiàng)面上基金和優(yōu)秀青年基金的科研項(xiàng)目，主要是圍繞微填充床反應(yīng)器，涉及到的流動(dòng)、傳質(zhì)和反應(yīng)行為，目前在業(yè)界與之相關(guān)的科研工作較少，極大限制了微填充床反應(yīng)器后續(xù)的生產(chǎn)，所以我們著重針對(duì)流體力學(xué)和傳質(zhì)等開展了科學(xué)研究，希望對(duì)新型微反應(yīng)器的認(rèn)識(shí)能達(dá)到更為深入的水平來指導(dǎo)后續(xù)的放大工作。
化工儀器網(wǎng)：對(duì)于催化加氫技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，目前國內(nèi)學(xué)術(shù)界的發(fā)展是怎樣的？您對(duì)該技術(shù)未來發(fā)展持有什么樣的看法？
張吉松：目前催化加氫工藝已應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域中，比如石油化工、煤化工領(lǐng)域。包括我所在的課題組開展的以原料藥為代表的精細(xì)化工領(lǐng)域，然而相較于設(shè)備、工藝都已經(jīng)比較成熟的石油化工、煤化工領(lǐng)域，原料藥催化加氫的研究相對(duì)而言，起步較晚，在工藝和設(shè)備上處于起步階段。業(yè)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(duì)于精細(xì)化工而言，這個(gè)行業(yè)長久以來主要是以有機(jī)化學(xué)家為主導(dǎo)開展相關(guān)科研工作，從實(shí)驗(yàn)室研發(fā)、工藝設(shè)計(jì)到放大生產(chǎn)，采用的是從有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域的方式方法，而實(shí)際上這樣的研究是不充分的，不管是催化劑技術(shù)還是對(duì)工藝的理解以及設(shè)備都不是目前化工領(lǐng)域最好的選擇，從這個(gè)角度來講，未來還需加強(qiáng)化學(xué)、化工以及催化劑等多個(gè)方面的綜合研究。
后記
作為關(guān)系國計(jì)民生的一項(xiàng)基礎(chǔ)工業(yè)，化學(xué)工業(yè)幾乎涵蓋了社會(huì)生產(chǎn)、生活的方方面面，包括工業(yè)生產(chǎn)、能源、航天、國防科工、食品藥品等。對(duì)于推動(dòng)二氧化碳減排而言，勢(shì)必要進(jìn)一步優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)，促使產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和升級(jí)，推動(dòng)能源的高效利用，而延長產(chǎn)品鏈、提高附加值，開展微化工領(lǐng)域的研究是當(dāng)今全球化學(xué)工業(yè)的發(fā)展方向，也是我國化學(xué)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的核心內(nèi)容，可以說微化工領(lǐng)域的發(fā)展必將影響整體的節(jié)能減排戰(zhàn)略，投入到微化工領(lǐng)域的研究也將成為化工行業(yè)的重要課題。
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