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仿生催化加速化工绿色化进程

2022-04-21 来源:龙岩机械信息网

仿生催化加速化工绿色化进程

用新催化技术实现绿色合成与清洁生产对于化学工业的可持续发展意义重大。在上周由中国化工学会精细化工专委会主办、宁波工程学院承办的行业发展研讨会上,专家们在讨论精细化工强化清洁生产时特别指出,近年来受到广泛关注的仿生催化技术将在化工生产绿色化的进程中发挥重要作用。寻找节能减排突破口

谈到仿生催化技术,自然离不开将烃类转化为醇、醛、酮、酸的与节能减排关联密切的烃类氧化过程。北京工业大学绿色化学与精细化工研究所所长佘远斌指出,作为石油化工行业的核心技术之一,25%的化学反应、50%的化工产品均建立在烃类氧化工艺的基础上。当下,化工行业发展面临环境状况恶化、安全事故频发、资源与能源短缺等瓶颈制约,迫切需要在烃类氧化环节寻求突破。

通过提高烃类氧化过程的效率和选择性,可以实现节能减排与环境保护;通过用温和条件下的液相仿生催化氧化来替代高温、高压下的气固相催化氧化,可以规避安全事故的发生;通过提高氧化反应的转化效率,可以提高资源和能源的利用率。“这其中关键的问题是氧化过程催化剂的分子设计与可控制备,于是仿生催化体系从中脱颖而出。”佘远斌说。

就像大自然中酶对于生物质新陈代谢的促进作用一样,仿生催化氧化技术是通过模拟生物体内的化学反应过程,开发出与生物酶相似的催化体系,在温和的条件下实现烃类化学品的氧化。作为生物催化与化学催化的交叉成果,仿生催化技术填补了传统工艺需要高温高压、选择性差、催化效率低、环境不友好的缺点,受到了国际学术界和企业界的高度重视。

仿生催化被寄予厚望

佘远斌表示,与天然生物催化剂相比,仿生催化剂具有价格低廉、性能稳定且易保存的优点,同时大大降低了催化剂生产的成本。作为典型的绿色化学技术,仿生催化追求的目标是通过生物代谢过程,改善碳氢化合物空气氧化反应中的转化率与选择性,进而提高烃类氧化工艺的效益,取代现有非绿色工艺,并实现工艺过程的可调控性。

通常仿生催化体系拟解决三大关键问题,即仿生催化氧化烃类的特异性,微量仿生催化剂的转化机制,仿生催化氧化活性和选择性的调控。通过这三大课题的探索,研究人员期望获得仿生催化氧化的共性和个性规律,实现高收率、高选择性地获得目标产物,有效解决目前烃类选择氧化存在的安全隐患、环境污染等问题。

“金属卟啉仿生催化剂就是仿生催化剂的典型代表,它具备反应专一、催化效率高、环境友好的重要优势。”佘远斌指出,金属卟啉仿生催化剂的特点是催化剂用量少,只需3~300ppm级,不需回收且不产生二次污染;采用清洁廉价的氧气代替污染严重的化合物作氧化剂;使用中性、碱性介质或无溶剂体系代替设备腐蚀严重的酸性介质;反应在接近室温、常压、中性的温和条件下进行。

工业化应用为时不远

记者了解到,佘远斌课题组的主要研究内容就是新型仿生催化剂的分子设计与合成,以及其在氧化烃类绿色合成有机化工原料及精细化工中间体中的应用。到目前为止,他们已设计、合成了120多种各类金属卟啉或酞菁仿生催化剂;在卟啉、金属卟啉、酞菁的合成方面改进了4种方法,并研究开发了两种新方法。

目前,该课题组已能够提供仿生催化氧化环己烷合成己二酸,仿生催化氧化α-烯烃合成环氧化合物,仿生催化氧化邻、间、对硝基甲苯合成邻、间、对硝基苯甲酸,仿生催化氧化邻、对硝基甲苯合成邻、对硝基苯甲醛,仿生催化氧化邻、对甲酚绿色合成邻、对羟基苯甲醛,仿生催化氧化烷基取代芳烃绿色合成取代芳酮,仿生催化氧化苯酚合成邻苯二酚等多项绿色化工生产技术。

这些成果有些已经和相关企业签署了技术转让协议。另外,课题组将与浙江的一家企业合作,拟在国内建设世界大的卟啉或金属卟啉研究、开发和生产基地,解决这类催化剂的大批量合成和生产问题,满足国内外催化等十大领域对卟啉或金属卟啉的需求。

佘远斌同时强调,当下金属卟啉仿生催化体系在提高烃类氧化反应转化率与选择性的同时,还要努力降低工业化生产的成本,并进一步提升工艺过程的表现。“仿生催化技术的前途光明,但还需要不断完善,才能真正地发挥作用”。

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