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精細化工行業(yè)產品種類繁多、工藝流程長、生產技術精密，生產企業(yè)往往呈現(xiàn)出“先產品分散生產，后污染集中治理”或“重產品生產，輕污染治理”的粗放型發(fā)展模式。南京工業(yè)大學化工學院喬旭教授團隊研發(fā)的“嵌入臨氧裂解過程的‘三廢’治理與化學品生產耦合關鍵技術”有效解決了這一問題，通過3項創(chuàng)新實現(xiàn)了化工及相關行業(yè)生產的源頭綠色化、過程減量化、治理精準化，并于近日獲得2021年度江蘇省科學技術一等獎。
提出凈化新概念 實現(xiàn)“三廢”近零排放
針對化工產品“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。“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機理，通過臨氧裂解熱量傳遞過程的調控實現(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，可嵌入精細化學生產裝置中，實現(xiàn)全濃度范圍內“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)大學化工學院湯吉海教授介紹說。
設計新型反應分離技術 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)精細化學品生產源頭綠色，是我們團隊攻關的目標。”喬旭說，精細化學品生產的反應、分離等單元過程大多采用離散單向的序貫連接方式，各單元產生的廢棄物大多直接進入“三廢”處理系統(tǒng)，有時副產物排放量可能是目標產品的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)明捕獲并利用精細化學品制造過程中過量原料的系列反應—分離耦合技術，開發(fā)全局尋優(yōu)的增強型“蝙蝠”算法，優(yōu)化設計反應—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)了生產過程“三廢”原位減量。
據(jù)介紹，該團隊針對酫酯胺類精細化學品高原子經濟性反應合成路線，創(chuàng)制了功能化分子篩催化劑，并通過調控反應網絡、提高原料利用效率，做到了減少廢棄物排放，實現(xiàn)精細化學品生產源頭綠色。
采用原子經濟反應 綠色工藝杜絕廢水產生
“采用綠色反應工藝才能使精化品在工業(yè)生產中真正實現(xiàn)‘源頭綠色、原位減量、嵌入治理’。”南京工業(yè)大學化工學院陳獻教授介紹，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，針對精細化學品合成副產生物量大的問題，設計出系列提高原子利用率的綠色反應工藝。
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、縮合等高原子經濟性反應，實現(xiàn)多點位協(xié)同的高效催化效應。他們還構建了羧酸特種酯、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。”南京工業(yè)大學化工學院崔咪芬教授列舉一系列成果轉化實例介紹說。綠色工藝原料轉化率與目標產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”反應精餾集成裝置，使原料反應轉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)苯甲醛生產水解反應與液液分離耦合的過量水原位循環(huán)技術，工藝水100%循環(huán)利用，從源頭上杜絕了向系統(tǒng)外排放未反應的過量原料和工藝廢水的產生。
與產品生產一體化融合 打造綠色制造示范效應
“嵌入臨氧裂解過程的‘三廢’治理與化學品生產耦合關鍵技術”通過了中國石油和化學工業(yè)聯(lián)合會組織的成果鑒定，被鑒定為達到國際先進水平。其中臨氧裂解技術達到國際領先水平，對推動精細化學品綠色制造具有很好的示范效應，具有很好的產業(yè)推廣應用前景。
技術成果的成功應用，將環(huán)保與相關產品生產一體化融合，實現(xiàn)了精細化學品的綠色制造。這一專利技術入股孵化出南京資環(huán)工程技術研究院有限公司，相關產品技術獨家轉讓給中鹽常州新東化工、江蘇飛亞化學等企業(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，經濟環(huán)境效益顯著。
