精細(xì)化工行業(yè)產(chǎn)品種類繁多、工藝流程長、生產(chǎn)技術(shù)精密，生產(chǎn)企業(yè)往往呈現(xiàn)出“先產(chǎn)品分散生產(chǎn)，后污染集中治理”或“重產(chǎn)品生產(chǎn)，輕污染治理”的粗放型發(fā)展模式。南京工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院喬旭教授團隊研發(fā)的“嵌入臨氧裂解過程的‘三廢’治理與化學(xué)品生產(chǎn)耦合關(guān)鍵技術(shù)”有效解決了這一問題，通過3項創(chuàng)新實現(xiàn)了化工及相關(guān)行業(yè)生產(chǎn)的源頭綠色化、過程減量化、治理精準(zhǔn)化，并于近日獲得2021年度江蘇省科學(xué)技術(shù)一等獎。
提出凈化新概念 實現(xiàn)“三廢”近零排放
針對化工產(chǎn)品“三廢”相態(tài)分別治理能耗高、效率低的問題，喬旭團隊研發(fā)出“三廢”臨氧裂解一體化凈化技術(shù)。“利用大分子有機物裂解和氣態(tài)有機小分子深度氧化的耦合反應(yīng)機理，通過臨氧裂解熱量傳遞過程的調(diào)控實現(xiàn)系統(tǒng)自熱平衡。”喬旭解釋道，也就是使大分子在氧氣的作用下裂解反應(yīng)生成小分子，小分子再深度氧化為二氧化碳和水，實現(xiàn)廢水、廢氣、廢渣近零排放。
這種“三廢”臨氧裂解一體化深度凈化裝備，可嵌入精細(xì)化學(xué)生產(chǎn)裝置中，實現(xiàn)全濃度范圍內(nèi)“三廢”同時處理。“處理后尾氣的揮發(fā)性有機物含量低于10毫克/立方米，廢水化學(xué)需氧量(COD)低于40毫克/升，遠低于國家和地方排放限值。”南京工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院湯吉海教授介紹說。
設(shè)計新型反應(yīng)分離技術(shù) 實現(xiàn)“三廢”原位減量
“提高原料利用效率、減少廢棄物排放、實現(xiàn)精細(xì)化學(xué)品生產(chǎn)源頭綠色，是我們團隊攻關(guān)的目標(biāo)?！眴绦裾f，精細(xì)化學(xué)品生產(chǎn)的反應(yīng)、分離等單元過程大多采用離散單向的序貫連接方式，各單元產(chǎn)生的廢棄物大多直接進入“三廢”處理系統(tǒng)，有時副產(chǎn)物排放量可能是目標(biāo)產(chǎn)品的10～100倍，這不僅造成了原料成本的增加，還額外增加了廢棄物處置的費用。
為此，喬旭研究團隊發(fā)明捕獲并利用精細(xì)化學(xué)品制造過程中過量原料的系列反應(yīng)—分離耦合技術(shù)，開發(fā)全局尋優(yōu)的增強型“蝙蝠”算法，優(yōu)化設(shè)計反應(yīng)—分離耦合工業(yè)化過程，最大限度降低過量組分逃逸量，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程“三廢”原位減量。
據(jù)介紹，該團隊針對酫酯胺類精細(xì)化學(xué)品高原子經(jīng)濟性反應(yīng)合成路線，創(chuàng)制了功能化分子篩催化劑，并通過調(diào)控反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)、提高原料利用效率，做到了減少廢棄物排放，實現(xiàn)精細(xì)化學(xué)品生產(chǎn)源頭綠色。
采用原子經(jīng)濟反應(yīng) 綠色工藝杜絕廢水產(chǎn)生
“采用綠色反應(yīng)工藝才能使精化品在工業(yè)生產(chǎn)中真正實現(xiàn)‘源頭綠色、原位減量、嵌入治理’。”南京工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院陳獻教授介紹，該團隊在提出“臨氧裂解”凈化新概念、發(fā)明“三廢”臨氧裂解凈化新裝備的同時，針對精細(xì)化學(xué)品合成副產(chǎn)生物量大的問題，設(shè)計出系列提高原子利用率的綠色反應(yīng)工藝。
該團隊提出了極性溶劑原位還原、鹽析定向錨定等策略，構(gòu)筑磺酸等有機官能團、過渡/堿金屬均勻分布的分子篩催化劑，首次用于加成、縮合等高原子經(jīng)濟性反應(yīng)，實現(xiàn)多點位協(xié)同的高效催化效應(yīng)。他們還構(gòu)建了羧酸特種酯、烷氧基丙酸酯、二苯胺、(氯代)苯甲醛的綠色催化合成工藝。
“原料吃干榨凈了，工藝水循環(huán)利用了，‘三廢’自然不存在了?！蹦暇┕I(yè)大學(xué)化工學(xué)院崔咪芬教授列舉一系列成果轉(zhuǎn)化實例介紹說。綠色工藝原料轉(zhuǎn)化率與目標(biāo)產(chǎn)品選擇性均高于傳統(tǒng)工藝，建成的酸烯加成、烷烴氯化的“背包式”反應(yīng)精餾集成裝置，使原料反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和選擇性分別達到98%和97%以上。
此外，他們發(fā)明的(氯代)苯甲醛生產(chǎn)水解反應(yīng)與液液分離耦合的過量水原位循環(huán)技術(shù)，工藝水100%循環(huán)利用，從源頭上杜絕了向系統(tǒng)外排放未反應(yīng)的過量原料和工藝廢水的產(chǎn)生。
與產(chǎn)品生產(chǎn)一體化融合 打造綠色制造示范效應(yīng)
“嵌入臨氧裂解過程的‘三廢’治理與化學(xué)品生產(chǎn)耦合關(guān)鍵技術(shù)”通過了中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會組織的成果鑒定，被鑒定為達到國際先進水平。其中臨氧裂解技術(shù)達到國際領(lǐng)先水平，對推動精細(xì)化學(xué)品綠色制造具有很好的示范效應(yīng)，具有很好的產(chǎn)業(yè)推廣應(yīng)用前景。
技術(shù)成果的成功應(yīng)用，將環(huán)保與相關(guān)產(chǎn)品生產(chǎn)一體化融合，實現(xiàn)了精細(xì)化學(xué)品的綠色制造。這一專利技術(shù)入股孵化出南京資環(huán)工程技術(shù)研究院有限公司，相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)獨家轉(zhuǎn)讓給中鹽常州新東化工、江蘇飛亞化學(xué)等企業(yè)，建成全國首套化工“三廢”臨氧裂解一體化凈化撬塊裝置和全球最大的年產(chǎn)4.5萬噸二苯胺、1.2萬噸氯代苯甲醛(含氯代氯芐)等工業(yè)裝置，打破了跨國化企的壟斷。
近兩年，成果應(yīng)用企業(yè)新增銷售額20.57億元、新增利潤2.83億元，同時減排廢氣13.51億立方米、精餾釜殘等有機危廢5156噸，經(jīng)濟環(huán)境效益顯著。
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