【文章內(nèi)容簡介】 處理和細(xì)菌發(fā)酵技術(shù)，把廢生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為動物飼料、工業(yè)化學(xué)品和燃料。 生物質(zhì)主要是由淀粉及纖維素組成，前者易于轉(zhuǎn)化為葡萄糖，而后者則由于結(jié)晶及與木質(zhì)共生等原因，通過纖維酶轉(zhuǎn)化為葡萄糖，難度較大。 Draths 等報 道 以葡萄糖為原料，通過酶反應(yīng)可制得 己 二酸、鄰苯二酚等，尤其是不需要從傳統(tǒng)的開始來制造作為尼龍原料的 己二酸取得了顯著進展。由于苯是已知的致癌物質(zhì) ,以經(jīng)濟和技術(shù)上可行的方式，從合成大量的有 機原料中去除苯是具有競爭力的綠色化學(xué)目標(biāo)。 另外， Gross 首創(chuàng)了利用生物質(zhì)或農(nóng)業(yè)廢物如多糖類制造新型聚合物的工作。由于其同時解決了多個環(huán)保問題，因此，引起了人們的特別興趣，其優(yōu)越性在于聚合物原料單體實現(xiàn)了無害化；生物催化轉(zhuǎn)化方法優(yōu)于常規(guī)的聚合方法 Gross 的聚合物還具有生物降解功能。 原子經(jīng)濟性 綠色化學(xué)的核心是利用化學(xué)原理從源頭上消除化工過程對環(huán)境的污染，其理想是采用 “原子經(jīng)濟”反應(yīng)，即原料中的 每一原子都轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品，不產(chǎn)生任何廢物和副產(chǎn)品，實現(xiàn)廢物的零排放。 但目前還不可能將所有的化學(xué)反應(yīng)的原 子經(jīng)濟性都提高到 100%。因此，不斷尋求新的反應(yīng)途徑或不斷提高現(xiàn)有化學(xué)反應(yīng)過程的選擇性，以提高合成反應(yīng)的原子利用率，仍然是十分重要的目標(biāo)。國家重點實驗室致力于從新合成原料、新催化材料，到新合成加工途徑、新反應(yīng)器設(shè)計等化學(xué)工程的研究以及各學(xué)科交叉結(jié)合，提高反應(yīng)選擇性，以上始終是重要的研究方向。 催化劑綠色化 綠色化學(xué)和化工將給化學(xué)工業(yè)和環(huán)境工程帶來革命性變化，要實現(xiàn)環(huán)境友好的綠色化工，研究開發(fā)新的催化劑及催化方法成為當(dāng)前關(guān)注的重要課題。在現(xiàn)代化工生產(chǎn)中 ,絕大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)都必須有催化劑的參與 ， 因此 ,必 須使催化劑綠色化 ,傳統(tǒng)的催化劑應(yīng)進行以下幾個方面的改進 : (1)催化反應(yīng)選擇性進一步提高 ,其目標(biāo)是達到“原子經(jīng)濟性”； (2)既要與反應(yīng)體系有良好的相溶性 ,又容易從反應(yīng)體系中分離出來 ,以實現(xiàn)催化劑的循環(huán)使用； (3)催化劑本身對設(shè)備無腐蝕性 ,不對環(huán)境產(chǎn)生污染。 綠色化工催化劑主要包括仿酶催化劑、固體酸催化劑、固體堿催化劑、金屬催化劑等，這些催化劑不僅具有較高活性和選擇性，而且催化劑和反應(yīng)體系易于分離，新型綠色化工催化已成為實現(xiàn)化學(xué)工業(yè)從低污染向阻止污染方向轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵。目前 ,圍繞催化劑的綠色化展開的研究中仿酶 催化劑、固體酸催化劑等是值得注意的。 酶催化反應(yīng)具有高效性、專一性及條件溫和的特點 ,是較理想的綠色催化劑 ,但天然酶來源有限、難以純制 ,對環(huán)境敏感、易變性失活 ,開發(fā)與酶具有相似功能甚至更優(yōu)越的人工酶已成為綠色化學(xué)研究的重要課題之一。 酸催化反應(yīng)是化學(xué)工業(yè)中重要的生產(chǎn)工藝 ,目前普遍使用的氫氟酸、硫酸、三氯化鋁等液體酸催化劑 ,它們的共同特點是 ,對設(shè)備的腐蝕嚴(yán)重 ,對人體危害和生產(chǎn)廢渣 ,污染環(huán)境 ,而固體酸催化劑如分子篩、雜多酸、固體超強酸則可以最大限度減少環(huán)境的污染。 雖然綠色化工催化劑理論發(fā)展逐漸得到完善，但大多數(shù) 催化劑仍停留在實驗階段 ，催化劑性能不穩(wěn)定，制備過程復(fù)雜，性價比低是制約其工業(yè)化應(yīng)用的主要原因，但從長遠(yuǎn)角度考慮，采用綠色化工催化劑是實現(xiàn)生產(chǎn)零污染的一個必然趨勢，也是當(dāng)前催化領(lǐng)域研究的重點。綠色化工催化劑的深入研究，必將促進催化科學(xué)的發(fā)展，具有重要的社會效益和環(huán)保效益。 化工過程綠色化 化工過程綠色化是指： ① 在化學(xué)反應(yīng)過程中盡可能采取無毒無害的原料、催化劑和溶劑；② 設(shè)計、生產(chǎn)的產(chǎn)品在其加工、應(yīng)用及生命周期內(nèi)各個階段均不會對人類健康和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生危害； ③ 化工過程強化 ，即 在生產(chǎn)和加工過程中運用新技術(shù) 和新設(shè)備，極大地減小設(shè)備體積或極大地提升設(shè)備生產(chǎn)能力，顯著地提高能量效率，同時極大地較少廢棄物的排放； ④ 另外，發(fā)展化工新結(jié)構(gòu)材料，對反應(yīng)設(shè)備或反應(yīng)器進行 “模塊化 ”設(shè)計，建立理想的 “芯片 ”化工廠，也是化工過程綠色化研究領(lǐng)域的重要內(nèi)容和目標(biāo)。 產(chǎn)品綠色化 “綠色”象征著自然、生命、健康、舒適和活力，使人回歸自然的顏色，在面對環(huán)境 污染時，是無污染 、無公害和環(huán)境保護的代名詞，其一般含義無需多作解釋，即可為公眾所認(rèn)識和接受。 那么，怎樣的化工產(chǎn)品才算是綠色化工產(chǎn)品呢 ?或者說，綠色化工產(chǎn)品具有哪些特征呢 ? 一般地綠色化工產(chǎn)品應(yīng)該具有兩個特征：①產(chǎn)品本身必須不會引起環(huán)境污染或健康問題，包括不會對野生生物、有益昆蟲或植物造成損害 ； ②當(dāng)產(chǎn)品被使用后，應(yīng)該能再循環(huán)或易于在環(huán)境中降解為無害物質(zhì)。 以上的二個特征對綠色化工產(chǎn)品本身以及使用后的最終產(chǎn)物的性質(zhì)都提出了要求。首先，產(chǎn)品本身對人類健康和環(huán)境應(yīng)該無毒害，這是對一個綠色化工產(chǎn)品最起碼的要求；其次 ，當(dāng)一個產(chǎn)品的原始功能完成后，它不應(yīng)該原封不動地留在環(huán)境中，而是以降解產(chǎn)物的形式 ，或是作為產(chǎn)品的原料循環(huán)，或是作為無毒的物質(zhì)留在環(huán)境中。這就要求產(chǎn)品本身必須具有降解 性能。 在傳統(tǒng)的功能性化工產(chǎn)品的設(shè)計中，只重視功能的設(shè)計，而忽略了對環(huán)境及人類危害的考慮，然而在綠色化學(xué)品的設(shè)計中，要求產(chǎn)品功能與環(huán)境影響并重。 事實上，對于最早暴露出來的某些化學(xué)產(chǎn)品的污染問題，通過人們的努力已經(jīng)找到了解決的方案。例如，為了對付塑料的“白色污染”，人們研究了可生物降解的塑料；為了消除農(nóng)藥對社會和人類的危害，人們研究了高選擇性的、不含氯的新型殺蟲劑。 以美國為首的發(fā)達國家，對綠色化工產(chǎn)品的研究開發(fā)非常重視 ，投入了大量的人力與物力，在解決化工產(chǎn)品的污染研究方面已經(jīng)走在了世界的前列。他們對 于許多化學(xué)產(chǎn)品的污染問題都進行了研究 ，并在一定程度上找到了解決問題的方法。美國“總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎”的設(shè)計更完全化學(xué)品獎 ， 更是體現(xiàn)了這一領(lǐng)域具有高水平的最新成就。 典型綠色化工生產(chǎn) 清潔汽油 國民經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，帶動了汽車工業(yè)和交通運輸業(yè)的快速發(fā)展，同時汽車尾氣排放的有害物質(zhì)已成為城市空氣嚴(yán)重污染的最大公害。隨著人們環(huán)保意識的不斷增強，保護人類賴以生存的地球生態(tài)環(huán)境，營造藍色天空的呼聲愈來愈高。 清潔汽車離不開清潔燃料，減少尾氣污染必須通過改進汽車設(shè)計、使用清潔燃料及設(shè)置汽車尾氣轉(zhuǎn)化器這三條途徑共同作用來實現(xiàn)。為了加強對汽車尾氣有害排放物的控制，世界各國尤其是發(fā)達國家，對汽油、柴油產(chǎn)品的質(zhì)量要求愈來愈高。對汽油中的硫含量、芳烴含量、苯含量和烯烴含量及對柴油中的硫含量、芳烴含量（包括多環(huán)芳烴含量）及十六烷值指標(biāo)的要求更加嚴(yán)格。因此生產(chǎn)滿足新規(guī)格的清潔燃料就成為關(guān)系燃料生產(chǎn)企業(yè)生存和發(fā)展的重要條件，更嚴(yán)格的要求既是艱巨的挑戰(zhàn)，也是發(fā)展的機遇。由于我國催化裂化裝置加工的原料硫含量高、摻渣量高，因此在提高了 企業(yè)經(jīng)濟效益的同時也造成了我國 FCC 汽油硫含量、烯烴含量高的后果。目前在 FCC 裝置上通過采用一些新的技術(shù)，可以解決汽油產(chǎn)品烯烴含量高的問題，但硫含量高的問題還得依靠原料予處理和產(chǎn)品加氫精制來解決。限于較高的投資， FCC 原料的加氫予處理在大多數(shù)中小煉油廠難以實施，而常規(guī)的加氫精制技術(shù)在減低汽油的硫含量的同時不可避免地會導(dǎo)致烯烴的大量飽和而使辛烷值損失，因此迫切需要開發(fā)一種專用技術(shù)，在保證辛烷值損失不大的前提下用以選擇性脫除汽油中的硫化物。 這就是清潔汽油生產(chǎn)技術(shù)。 生物 柴油 生物柴油的生產(chǎn)也屬 于生物化工技術(shù)，前述章節(jié)已探討過。本章提及生物柴油，主要在于其低污染性及原料高利用率。 生物柴油的油脂原料可以是植物油脂，如蓖麻油、菜籽油、大豆油、花生油 、玉米油、棉籽油等和棕櫚油等，也可以是動物油脂，如魚油、豬油、牛油和羊油等 ，這些都是綠色的化工生物資源 。 生物柴油的制備方法有物理法和化學(xué)法。物理法包括直接使用法、混合法和微乳液法；化學(xué)法包括高溫?zé)崃呀夥ê王ソ粨Q法。其中，酯交換法是生產(chǎn)生物柴油的主要方法。酯交換法的基本原理是：利用原料中所含的脂肪酸和甘油三酸脂與一定量的甲醇等低碳一元醇，在催化劑 (酸、堿 或生物酶 )和一定的工藝技術(shù)條件 (溫度、壓力、時間、超臨界 )下，進行酯化或轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)，生成相應(yīng)的脂肪酸低碳烷基酯，再經(jīng)過分離甘油、水洗、干燥等后處理便得到了生物柴油?；瘜W(xué)反應(yīng)方程式如 式（ 91）和（ 92）。從中可以看出反應(yīng)物的高利用率。 酯化反應(yīng)： 3 3 2R C O O H + C H O H R C O O C H + H O ????? 催 化 劑 （ 91） 轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)： CH OCO RCH OCO RC H O C O R 3 C H O H 3 R C O O C HCH OHCH OHCHOH22322催化劑+ +（ ）9 2 總之， 生物柴油以其原料來源廣泛，生產(chǎn)應(yīng)用過程對環(huán)境污染小等優(yōu)點已經(jīng)受到人們的重視。生物柴油屬可再生能源，對緩解我國對進口石油的依賴，實現(xiàn)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重要意義 。 燃料電池 早在上個世紀(jì)六十年代，燃料電池技術(shù)就在人類登月計劃中扮演過重要的角色。除了在人類宇航探索中做出杰出貢獻外，燃料電池技術(shù)將越來越多地走進我們的生活，發(fā)揮其重要的作用。 燃料電池是一套電化學(xué)設(shè)備，它將氫和氧化合，把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，同時產(chǎn)生水。由于燃料電池沒有普通發(fā)動機的燃燒過程，不產(chǎn)生對環(huán)境的污染，因此它是一種清潔、可靠的能源。 在燃料電池工作時，燃料電池的陽極是位于質(zhì)子交換膜有氫一側(cè)的電極。在陽極上，氫氣被分解成帶正電的質(zhì)子和帶負(fù)電的電子。質(zhì)子通過很薄的質(zhì)子交換膜到達陰極，電子在外部 電路的移動產(chǎn)生電能。在被稱作陰極的空氣電極中，質(zhì)子與空氣和電子的結(jié)合形成唯一的產(chǎn)物 水。燃料電池需要的氧廣泛地存在于空氣之中；而氫作為世界上存量最豐富物質(zhì)，可以利用太陽能、風(fēng)能等可再生能源，以及從石油、生物物質(zhì)和天然氣中獲取。燃料電池使用的氫為液態(tài)或氣態(tài)。為燃料電池供氫可有兩種方式：一種是通過使用重整器，從諸如汽油之類的碳?xì)淙剂现兄卣迫「哔|(zhì)量的氫，再提供給燃料電池組使用；另一種是把氫儲存在汽車上直接供燃料電池使用。 作為未來交通可持續(xù)發(fā)展的解決方案，燃料電池汽車技術(shù)已成為世界各國關(guān)注的問題。在我國 “863”計劃和 “十五 ” 計劃中，也都明確將替代動力汽車技術(shù)列為重點發(fā)展項目。近日，美國能源部長亞伯拉罕也宣布，布什政府將與美國國內(nèi)汽車制造商聯(lián)手開發(fā)燃料電池。這似乎意味著，此種以氫為原料的燃料電池最終將取代汽油，成為下一代汽車的動力來源，從而降低環(huán)境污染和美國對進口原油的依賴。 隨著世人對自身環(huán)境的不斷關(guān)注，綠色環(huán)保的力量不斷加大，同時世界石油資源不斷趨于枯竭，人類迫切需要一種即環(huán)保又高效的車用清潔再生能源，經(jīng)過反復(fù)斟酌，燃料電池被確定為替代石油的新能源。 第三節(jié) 納米技術(shù) 概述 納米技術(shù)的出現(xiàn)是材料 科學(xué)領(lǐng)域的典型代表與結(jié)晶。被譽為“ 21 世紀(jì)的新材料”的納米材料有許多優(yōu)異性能，因此在多個領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。 納米科學(xué)技術(shù)是在 20 世紀(jì) 80 年代誕生的，納米技術(shù)一經(jīng)問世，便迅速滲透到各個研究領(lǐng)域。近年來，納米技術(shù)已經(jīng)開始得到應(yīng)用，納米技術(shù)的應(yīng)用不僅會引發(fā)一場革命，促進社會經(jīng)濟發(fā)展，而且會產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，對提高人們生活水平起到積極的作用。 納米技術(shù)的定義 納米 (nm)是一個長度單位，一納米等于十億分之一米或千分之一微米，即 1nm=109m。一個納米的長度大約是三四個原子的寬度，對宏觀物質(zhì)來說，納米是一 個很小的單位。國際上確認(rèn)，當(dāng)物質(zhì)的粒徑在 100nm 以下時，這種物質(zhì)就可稱為納米材料。制備和駕馭這樣小的物質(zhì)的技術(shù)就是納米技術(shù)。