微化工領域的研究將成為化工行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要發(fā)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(xiàn)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(shù)開發(fā)與工業(yè)應用交流研討會”注定備受關(guān)注。
催化加氫技術(shù)是醫(yī)藥和精細化工和其他有機合成中的核心技術(shù)，也是化工生產(chǎn)當中的核心技術(shù)，是一種可促進節(jié)能減排和清潔生產(chǎn)的工藝，能夠起到縮短反應時間、提高原料利用率和產(chǎn)物收率的作用，同時又能減少污染物的排放，降低生產(chǎn)成本。對環(huán)保領域、能源領域、醫(yī)藥領域而言，開展催化加氫技術(shù)的科學研究具有重大意義。
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，清華大學化工系博導張吉松副教授。從他個人及團隊多年來的學術(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科研方向？
張吉松：第一次接觸到微化工技術(shù)是在大三時，當時微化工技術(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，實驗室相關(guān)的科研工作也是很少。但是當時我們關(guān)注到相關(guān)文獻中多次提到這個技術(shù)可以應用到有機合成領域，彼時的化工行業(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(fā)展，將是化工行業(yè)一個重要的發(fā)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(shù)等，其有機合成涉及到物質(zhì)的轉(zhuǎn)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(yè)的應用，當時國內(nèi)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(shù)科研攻關(guān)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(wǎng)：2020年是十三五的收官之年，四部委聯(lián)合發(fā)布《推動原料藥產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展的指導意見》，提出5年突破20項以上綠色關(guān)鍵共性技術(shù)，基本實現(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。能否從您研究的領域出發(fā)，談談如何實現(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)展對整個行業(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、污染嚴重等問題，業(yè)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(shù)。從技術(shù)角度而言，如微反應器為代表的技術(shù)力量，將來可有效推動原料藥行業(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，通過流動化學減少催化劑的使用，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(xiàn)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(tǒng)的放大等方面做了規(guī)劃和研究，目前項目進展順利，相關(guān)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(guān)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(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效果、整個系統(tǒng)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(nèi)實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)和應用。
此外還承擔著一項面上基金和優(yōu)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(zhì)和反應行為，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器后續(xù)的生產(chǎn)，所以我們著重針對流體力學和傳質(zhì)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(xù)的放大工作。
化工儀器網(wǎng)：對于催化加氫技術(shù)的開發(fā)與應用，目前國內(nèi)學術(shù)界的發(fā)展是怎樣的？您對該技術(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(jīng)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(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，但對于精細化工而言，這個行業(yè)長久以來主要是以有機化學家為主導開展相關(guān)科研工作，從實驗室研發(fā)、工藝設計到放大生產(chǎn)，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(shù)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(guān)系國計民生的一項基礎工業(yè)，化學工業(yè)幾乎涵蓋了社會生產(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。對于推動二氧化碳減排而言，勢必要進一步優(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，推動能源的高效利用，而延長產(chǎn)品鏈、提高附加值，開展微化工領域的研究是當今全球化學工業(yè)的發(fā)展方向，也是我國化學工業(yè)轉(zhuǎn)型升級的核心內(nèi)容，可以說微化工領域的發(fā)展必將影響整體的節(jié)能減排戰(zhàn)略，投入到微化工領域的研究也將成為化工行業(yè)的重要課題。
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