绿色化学工程与工艺在化学工业节能中的运用

引言

在碳中和背景下,要想结合趋势变化推动化工产业的全面发展,就需加强绿色化工技术创新,由此增强持续发展的助力,化工产业应明确现阶段自身存在的技术缺陷,找准方向对绿色化工技术进行持续化、标准化创新,逐步实现节能环保、低碳的发展目标。

1 绿色化工环保技术的作用

1.1 降低环境污染

传统化工工程工艺所产生的污染物，如二氧化硫、氮氧化物、挥发性有机化合物也就是 VOCs 以及重金属离子等，给大气、水以及土壤环境带来了严重的污染。绿色化工关键技术是从多个不同环节降低污染的，在原料选择方面，会优先选用无毒、无害且低污染的原料，如此便能避免生产过程中有毒有害物质的产生。在反应过程中，借助优化反应条件以及采用绿色催化剂，以此提高反应的选择性，减少副产物的生成，降低污染物的排放。在废弃物处理层面，废弃物资源化利用技术将化工生产中的废渣、废水等转变为可再利用的资源，减少了废弃物的填埋以及焚烧，降低了对土壤和大气环境的污染。

1.2 绿色新技术

绿色化工技术创新中,其关键在于技术的优化及升级,在技术科学配置及应用的基础上,推动化工产业向着绿色低碳方向发展,降低化工生产中的能耗量。需要注意的是,绿色技术创新一方面要创新环境污染末端治理技术,有效控制环境污染问题,另一方面还应创新、应用清洁生产工艺,推动产业经营管理方法的协调性变化及完善,基于新型技术支持降低污染物的实际排放量。

2 绿色化学工程与工艺在化学工业节能中的运用措施

2.1 绿色溶剂的开发与应用

新型绿色溶剂（如离子液体和深共熔溶剂（DES））因其低挥发性、可循环使用性和对环境的低毒性，成为替代传统有机溶剂的首选。同时，水相反应体系的研究逐渐深入，以水为溶剂的合成工艺不仅降低了生产成本，还减少了有机溶剂对环境的污染。在工业应用中，通过溶剂的绿色化替代，许多精细化工产品的生产工艺显著减少了VOCs（挥发性有机化合物）的排放。

2.2 电化学合成绿色化工技术

电化学合成绿色化工技术是利用电化学反应实现化学品的合成，具有反应条件温和、选择性高、环境友好等优点。其基本原理是通过在电极表面施加电场，使反应物在电极上发生氧化还原反应，从而生成目标产物。药物合成中，一些具有特殊结构和功能的有机化合物，通过传统的化学合成方法往往需要多步反应，且反应条件苛刻，副反应多。例如，对氨基苯酚（PAP）的电合成取代了传统铁粉还原法。以 PbO2 为阳极，在硫酸介质中电解硝基苯，电流效率达 85% ，产品纯度 gtrsim99.5% 。该工艺避免了每吨产品产生 4t 铁泥的问题，已在多家药企实现产业化，年减排固废超 10 万 t 在废水处理领域，电催化氧化技术处理含酚废水效果突出。采用掺硼金刚石（BDD）电极，在电流密度 50mA/cm2 下电解，苯酚降解率 98% 以上，TOC 去除率达 75% 。某焦化厂应用后，废水 COD 从 3000mg/L 降至 500m g/L 以下，回用率提升至 70% 。电化学沉积法合成锂离子电池正极材料 LiCoO2，通过控制电解液组成和电流密度，可获得粒径均匀的纳米级颗粒，电池容量提升 15% 。

2.3 废弃物资源化利用技术

化工生产期间会产出大量废弃物，如废渣、废水以及废气，废弃物资源化利用技术能将这些废弃物转变为可再度利用的资源，以此实现废弃物的减量化、无害化以及资源化目标。在废渣处理方面，借助物理、化学以及生物方法，能将废渣中的有价金属回收再利用，如从电镀废渣中回收铜、镍、铬等金属，从磷石膏中提取硫酸和钙等资源。废水处理技术运用物理化学法如沉淀、过滤、吸附以及生物法如活性污泥法、生物膜法等，去除废水中的有害物质，实现水资源的回收利用。对于高浓度有机废水，还可以借助厌氧发酵技术产生沼气，用作能源，也可以采用吸附、吸收、催化燃烧等技术，去除废气中的二氧化硫、氮氧化物、挥发性有机化合物等污染物，回收其中的有用成分。如运用活性炭吸附法回收废气中的有机溶剂，采用氨法脱硫技术回收废气中的二氧化硫来生产硫酸铵。废弃物资源化利用技术能减少废弃物对环境的污染，还能创造经济效益，实现环境与经济的双赢。

2.4 工艺安全与环保设计

工艺安全与环保设计是现代化工流程设计中不可或缺的部分。在化工生产中，原料和产品大多具有易燃、易爆或有毒性的特点，因此需要通过合理的安全设计，降低工艺操作中的风险。安全设计通常包括本质安全设计、故障检测与预警系统的配置，以及应急措施的制定。例如在反应系统中，设计者需要确保设备具有适当的压力和温度控制系统，防止反应失控引发事故。在分离和储存环节，也需设计可靠的泄漏检测与报警系统，保障工艺的安全运行。在环保设计方面，化工流程必须符合国家和国际的环保法规，减少污染物排放和废水废气的处理成本。从而进一步优化工艺路线，实现绿色化生产。近年来环保设计逐渐与绿色化工理念相结合，推动企业向低碳生产和可持续发展方向迈进。

2.5 催化剂设计与筛选

高通量实验筛选技术利用自动化设备、微型反应器和快速分析仪器，可以实现在短时间内对催化剂的合成、性能评价和筛选。通过该技术，研究人员可以在数千种催化剂中筛选出具有优异催化性能的候选物质，从而大大缩短催化剂开发周期。在绿色催化领域，高通量筛选技术尤其适用于催化剂的优化和新型绿色催化剂的发现。通过高通量实验快速评估不同催化剂对某一特定反应的催化性能，筛选出既高效又环保的催化剂。分子模拟能够通过理论计算预测分子间的相互作用、反应机理以及催化过程的细节，从而帮助研究人员理解催化反应的本质和催化剂的作用机制。人工智能辅助设计则是通过机器学习、深度学习等人工智能技术，分析大量催化剂数据，发现催化性能与催化剂结构之间的规律，并进行预测和优化。人工智能技术能够自动从实验数据中提取有价值的信息，优化催化剂的分子结构和反应条件，从而实现催化剂的高效设计。

2.6 合理利用阻垢剂

在工业生产过程中，经常要用到许多机器，以辅助其进行化学生产。但是，在一些场合，机械会有不同的耐腐蚀性能。腐蚀后的装备如果得不到有效的治理，将会造成严重的腐蚀，严重威胁到整个机械装备的安全和散热。为有效地节省人力，应采取合理措施，避免不必要的燃油损失。采用脂肪保护剂是一种较好的方法。利用磨料对腐蚀零件进行清除，对机器系统进行常规的维护与维护，能够确保机器系统的顺利运转，减少能源消耗，并将因腐蚀而导致的资源损耗降至最低。

结语

绿色化学化工技术以其独特的理念和技术优势,已深深植根于现代化学工业之中。通过追求原子经济性、践行无害化设计、实现资源再生循环以及融合智能化技术,化学工业正逐步向环境友好、资源高效、可持续发展的方向转型。在政策的引导与市场的驱动下,绿色化学化工技术不仅提升了产业生态水平,更为构建绿色供应链、促进产业共生提供了坚实支撑。

参考文献:

[1]胡金龙.绿色化工技术在化学工程与工艺节能中的运用研究[J].清洗世界,2024,40(7):6163.

[2]黎锟,熊芸,舒笠,等.绿色化学关键技术在精细化工中的应用[J].化学通报,2024,87(2):218225.