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何鸣元:为化学化工全产业链绿色化而努力

来源: | 日期:2023-9-19 9:46:09 | 访问:次 | 字号:

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何鸣元,中国科学院院士、石油化工专家。1940年2月8日生于上海,籍贯江苏苏州。1961年在华东纺织工学院应用化学专业毕业后进入石油化工科学研究院,先后担任基础研究部主任、副总工程师、总工程师,现任华东师范大学教授。长期从事催化材料与炼油化工催化剂研究,发明了一系列沸石合成与改性的新方法并开发出多种炼油催化剂。申请国内外专利200多项,150多项已授权。获国家发明奖二等奖、三等奖各一项,中国石化总公司发明奖一等奖、科技进步奖一等奖等若干项。其中,ZRP系列分子筛于1995年被国家科委评为我国十大科技成就之一。在国内外著名刊物发表研究论文200多篇。多次应邀在国际学术会议作大会报告或邀请报告。曾任第15届国际沸石分子筛大会副主席,第16届世界石油大会分会主席,国际学术刊物Applied Catalysis A:General编委。2000年由科技部聘任为绿色化学课题的国家重大基础研究项目首席科学家。2001年获何梁何利基金“科学与技术进步奖”。2002年起任国际催化理事会理事。2007年被选为国际沸石分子筛协会副主席。1995年当选中国科学院院士。2011年当选中国科学院学部主席团成员,2012年获中国催化成就奖,同年被法国教育部授予棕榈叶骑士勋章。2019年获中国分子筛协会终身成就奖。

记者:何院士您好,首先想请教您的是,作为一名化学领域的科学家,您如何评价化学对于人类社会的影响? 

何鸣元:这是一个比较大的问题,化学是一门历史悠久而又富有活力的学科,与人类生存、生产和生活息息相关,每一项新技术的突破都可能改变人类未来。合成化肥的发现,让人类进入现代农业时代,摆脱靠天吃饭的困境;合成药物的出现,让人类摆脱了病毒纠缠,变得更健康、更长寿;从石油中提炼的燃油,驱动着汽车和飞机,给人类装上飞翔的翅膀……人类的衣、食、住、用、行,无不依赖于化学元素及其所组成的万千化合物和无数制剂、材料。化学之所以被称之为“中心科学”,是因为它是众多学科的源头和基础。

现代化学的创立和缔造,靠着几代人的筚路蓝缕和前仆后继。100多年来,我国化学工业走过夹缝中求生存、逆境中谋发展的艰难岁月,造就了范旭东、吴蕴初、侯德榜、侯祥麟、闵恩泽等为代表的化工实业家和科学家,他们为我国化工学科发展、化工技术创新、化工事业腾飞作出了突出贡献。

记者:您刚刚讲的主要是化学对于人类社会发展的正面影响,但它的负面影响也是很大的,这一点,最早在上世纪60年代出版的书籍《寂静的春天》中已有所描述,这是不是您提倡“绿色化学”的一个起因呢?

何鸣元:据我所知“绿色化学”是美国化学会(ACS)提出的概念,得到了全球的响应。从后来美国环保署对绿色化学的定义上看,绿色化学的基础是化学,而其应用和实施则更像是化工。的确如你所言,当今社会,一个没有化学的世界是无法想象的,但是,我们又不得不面对化学化工在促进人类进步的同时,也在客观上造成环境污染的现实。一些著名的环境事件多数与化学有关,诸如臭氧层空洞、白色污染和酸雨等。作为一个具有丰富想象力和感染力的词语,“寂静的春天”不仅揭示了人类不当行为所带来的环境恶化现象,更唤醒了人们重新审视人与自然之间的关系,使得人与自然和谐共生的发展理念深入人心。所以有人说,20世纪人类最重要的觉醒之一,就是对环境问题的重新审视和思考。

上世纪八九十年代,美国成立了专门从事“绿色化学”工作的政府机构,它就是所谓的美国环保署,由一个名叫保罗·阿纳斯塔斯的耶鲁大学教授负责该机构运作。阿纳斯塔斯认为,绿色化学不仅是一门学科或产业,更是一种新的思维方式,是关于日常生活的产品和生产过程的重新设计。其核心是利用化学原理,从源头上减少和消除工业生产对环境的污染。阿纳斯塔斯被称为是“绿色化学之父”,2021年荣获沃尔沃环境奖,它被誉为环境与可持续发展领域的“诺贝尔奖”,是世界上最具影响力的科学环境奖之一。现在很多人都说这个“绿色化学”概念是阿纳斯塔斯提出来的,实际上也不是他提出来的,但他是在负责这方面工作,发表了很多文章,做了很多演讲,努力让绿色化学概念更加深入人心,所以我觉得绿色化学这个概念可以说是从他那时候开始的。他提出了“绿色化学十二条原则”,这是一个被工业界和学术界广泛使用的框架。同时,他还推动了在30多个国家及地区运营的绿色化学网络的发展,促成了许多绿色行动,例如创造新的生物塑料。

我们国家绿色化学的开拓者是闵恩泽先生,这是一位老院士,被誉为“中国催化剂之父”,现在已经去世了。1995年,他在中国科学院化学部提议要对绿色化学化工做一个调研,当年中国科学院化学部就正式立项,确定了“绿色化学与技术”的院士咨询课题,1996年召开了“工业生产中绿色化学与技术”研讨会,并出版了《绿色化学与技术研讨会学术报告汇编》。这之后,我们又一起努力争取在科技部设立了一个有关绿色化学的重大基础研究专项。所以,针对新兴化学分支—绿色化学而言,闵先生起了一个倡导者和先行者的作用。

绿色化学是一门研究运用现代科学技术原理和方法来减少或消除化学产品设计、生产和应用中有害物质的使用与产生,使所研究开发的化学产品和过程对环境更加友好的学科。就是说,要使用无毒无害和可再生的绿色原料、绿色溶剂、绿色催化剂和助剂、原料利用率高的合成路线、绿色工艺与技术,来合成对环境友好的产品,完成整个化学化工生产链绿色化转型。当初我们做绿色化学,主要是因为绿色化学的核心是转化,反应物的原子全部转化为期望的最终产物,它符合原子经济原则。溶剂和试剂也需要符合绿色化学,比如室温离子液体具有性质稳定、不易挥发、溶解效果好等优点,成为公认的绿色溶剂。它作为溶剂有很广泛的应用前景,离子液体现在已经工业生产了。

记者:您从本世纪初就开始担任上海市绿色化学与化工过程绿色化重点实验室主任了,一直坚持到现在,为什么会花这么大精力致力于绿色化学? 

何鸣元:我是从石化部门到大学的,原来在中国石化石油化工科学研究院(简称“石科院”)担任总工程师,后来年纪大了不在一线工作了,2001年到上海建立了一个离子液体化学研究中心,2004年该中心发展为上海市绿色化学与化工过程绿色化重点实验室。我在石科院当总工程师期间,也担任了科技部绿色化学化工973计划的首席科学家。从那时候开始,绿色化学化工就成为我重点关注的领域。重点实验室创建条件非常艰苦,面积也非常小,后来改造了旧化学馆,并在化学馆底楼,购置了催化剂评价装置、扫描电镜、核磁共振仪等设备。

绿色可持续化学已被证明在解决世界能源的三元制约困境(可持续发展—能源—环境)中发挥着创造性作用。如果我们用“碳能源”取代“能源”,用“二氧化碳”取代“环境”,那么就产生了一个新的概念—“绿色碳科学”,它将更精准地关注“可持续发展—碳能源—二氧化碳”这个三元制约难题。可持续发展是人类社会面临的一个巨大挑战。提高碳资源利用和碳循环的效率,能帮助我们应对这一挑战。高效转化和利用化石能源、生物质和二氧化碳,同时尽量减少能耗和二氧化碳排放,都是至关重要的。

近年来,我国政府和科研机构高度重视发展绿色催化,重点建设了一批具有较大影响以及国际影响力的高端专业化智库,为全行业转型升级提供全面系统的指导与服务。目前,我国在化学反应、原料、催化剂、溶剂和产品等方面的研究已取得了一些重点突破,有的产品已开始推广应用。2016年由华东师范大学、北京大学深圳研究生院、中科院大连化物所及兰州分离科学研究所等科研院所,在国内创建了绿色催化专家智库,目前共由48位两院院士,以及多位高层次特聘教授汇集智库,组成了国内绿色催化领域很强大的科学家团队。

我们这个团队围绕“创新、开放、绿色、协调、共享”的新发展理念,找准了科研与服务的位置,并将智库的定位、理念、目标、宗旨完全融入了五大发展理念,重点开展绿色催化、清洁能源、新材料、煤化工、环境保护、稀土利用、盐湖化工等领域的研究。绿色化学是发展的方向,它是走向生态文明新时代,建设美丽中国的新路径;更是实现中华民族伟大复兴中国梦的重要内容。

记者:绿色化学的核心是什么?它将如何影响材料科学?

何鸣元:绿色化学是化学发展的必然趋势,也是化学发展的更高层次。在我看来,绿色化学的核心在于反应转化,化学反应就是转化,转化过程应该符合原子经济。所谓原子经济,就是让反应原料里的所有原子都进入到反应分子里去,没有浪费也尽量没有副产品,那么这个过程溶剂是绿色的,催化剂也是绿色的,按照这样的定义,整个反应转化过程对环境就没有负面影响,就可以最经济的方式,来实现最高层次的转化。所以我认为,绿色化学的核心还是在于转化的反应过程,其核心是利用化学原理,从源头和过程中减少和消除工业生产对环境的污染。

简而言之,当前实现化工产业绿色化主要有两条路线:其一是采用原子经济性反应,把原料中的每一个原子都变成产品,不产生副产品或废弃物。但是,在许多化工生产过程中,副产品是不可避免的,而这些副产品可能成为污染源头。所以,绿色化学实现的第二条路线就是,把一个生产过程的副产品和废料变成另一个生产过程的原料,从依赖资源的单行道到实现资源初级利用的多链条,做到企业内循环,将原料吃干榨净。总体的目标是要做到更绿色,更经济。

化学和材料科学密不可分,绿色化学的重要内容之一,就是采用绿色原料和技术,生产环境友好的高性能材料。实际上,材料产业的多个环节都可能造成环境污染。因此,材料本身和材料生产过程都需要绿色化。2017年3月,我和苏宝连、谢在库两位教授在北京共同主持了第590次香山科学会议。在这次会议上,等级孔材料被定义为一类具有特殊多孔结构的材料,其多孔结构是由不同尺度上相互连通的孔组成,包括微孔、介孔和大孔。等级孔材料已成为材料研究的热点领域,近年来引起了业界广泛关注。以生物质转化过程为例,它涉及大分子、中间物分子、小分子等,利用等级孔材料能够加速物质的扩散,并使它们更容易接近催化活性位点,从而帮助促进生物质的转化。通过在不同尺度上对材料的孔和结构进行等级构建,就可能制备出绿色碳科学所需各种功能的材料。

记者:作为国内最早提出绿色碳科学概念的学者之一,您觉得我国在双碳背景下该如何构建这种新的运营体系?

何鸣元:碳创造了人类文明,是构成地球上生物的重要元素,碳资源在人类文明发展中起到了不可替代的作用。从资源角度来看,二氧化碳也可以作为资源利用。我们认为,碳中和就是要维持碳的中性平衡。所谓“中性”,就是把碳排放视为负,把二氧化碳的循环利用视为正,两者之间保持平衡和循环是实现碳中和的关键因素。

绿色可持续化学已被证明在解决世界能源的三元制约难题中发挥了创造性的作用。绿色碳科学,即含碳物质能源利用时从碳资源加工、碳能源利用、碳固定、到碳循环全过程所涉及的碳化学键演变规律及其基于原子经济性的优化,就是以平衡、循环为出发点的一种科学理念。

绿色碳科学概念形成很自然,我从离开石科院到建立实验室一直都是从事绿色化学化工研究。2000年以后,环境问题越来越凸显。虽然那时候还没有提出双碳目标,但是“碳”已成为众矢之的。但我们需要清楚的是,碳是构成地球上生物的重要元素,适当存在的二氧化碳和温室效应对地球上的生命是必要的。碳、氢、氧是构成碳能源的三大化学元素,碳能利用和碳平衡的实现则是基于氧化还原的化学原理,由此可见化学的重要性。

绿色碳科学氧化还原包括化石能源通过加工得到燃料和化学品,生物质的转化利用,化学循环,将化石燃料使用过程中产生的二氧化碳通过还原合成甲醇等物质,以及化学/生态循环,通过光合作用和人工光合作用促进二氧化碳的再循环。要实现二氧化碳循环再利用,不仅要发展氢能源,而且必须依靠碳之外的能量来实现这样的过程,包括太阳能、风能、电能等,同时也包含了化学、光生物、太阳能生物反应等多种转化途径。其中,太阳能十分重要。

记者:像您刚才说到的碳利用转化,目前有没有实践应用呢?

何鸣元:目前已有很多实例。从炼油厂看,我们炼油化工从蒸汽裂解到产生二氧化碳、催化裂化、催化重整、焦化,所有的热加工热反应转化,这个过程不可避免有一部分碳变成二氧化碳。如果看催化裂化装置,反应再生循环,反应以后的催化剂再生器,再生器底部通入空气,氧化燃烧把催化剂表面所生的碳烧掉,烧掉以后变成二氧化碳排放,再生器大量往外排二氧化碳,这部分二氧化碳到目前为止还是每天在那里排放,石化企业有责任解决这个问题。我们在最近几年也已经看到了这方面成功的例子,如正在做中试的二氧化碳加氢,中试的规模已达到10000吨。在工业上真正实现应用的例子是2019年张锁江院士和他的团队通过其自主研发的新能源项目—固载离子液体催化二氧化碳制备碳酸二甲酯/乙二醇绿色工艺,实现了工业化应用,二氧化碳转化率高达99.9%,其工艺目前处于国际领先水平。项目达产后,我和韩布兴、费维扬等4位院士牵头组成的成果鉴定委员会,在对固载离子液体催化二氧化碳制备碳酸二甲酯/乙二醇绿色工艺运行进行考察、质询与评审后认为,该项目工艺成果是绿色工程与绿色化学应用的成功范例,为二氧化碳资源化利用、现有乙二醇工艺节能及环氧乙烷产业链开辟了新路径,经济和社会效益显著,具有广阔的应用前景。

我国要实现碳中和,首先要明晰碳排放主要来自哪里?我国目前的情况是能源占比45%,工业39%,交通10%,建材5%,其他相对来说较少。目前能源生产和工业生产过程中的碳排放量约占我国碳排放总量的85%,工业碳减排是重中之重,需从产能端、用能端和碳汇端“三端”发力,通过技术变革实现碳中和。

碳中和是一个大系统,包括产能端、用能端和碳汇端。从这个系统可以看到,未来能源系统中化石能源的使用要逐步减少,特别是汽柴油的使用,未来石油主要用来做化学品。新能源发电要和煤炭燃烧发电配合起来,构成多能互补的能源系统。在新能源系统中,最重要的是新能源的储存,包括储氢和储电等技术。在工业用能端,钢铁、有色、化工、建材这几个行业是相互衔接的,各个过程耦合起来,钢铁、有色等金属使用后可回收处理后作为原料再次使用,废弃塑料等也可再循环利用起来,还需结合CCUS技术,才有可能实现碳中和,所以要“三端”发力。

记者:怎样理解您最近讲的工程热化学是“实现碳中和目标的重要科学技术基础”?

何鸣元:我们之所以对绿色化学绿色碳科学感兴趣,是因为面临的许多问题需要解决,我们思想上有困惑。而绿色化学许多需要重新考虑和解决的重要问题,其中就有工程热化学的问题。作为一个前沿领域,工程热化学与绿色化学的交叉研究,既可以拓宽工程热化学的研究范畴,也可以解决绿色化学中的关键痛点。

大量的能源化工过程都需要大量的热,大量的能量,能量和热量的投入怎样更合理有效,这就是我们要思考的一个根本问题,大量使用能量的过程需要更经济有效,能量的使用能在更合理的范围之内,而且这个能量使用不管是高品位的热能还是低品位的热能,都应该得到最有效的利用,这是第一个问题;有很多节能的问题不解决,没有一个基本的科学认识解决不了。第二问题是,我们觉得大量的碳能源碳物质的使用,因为碳不光是能源也是原料,所有的化合物,所有的材料,化学品,都是碳组成的。我们可以说几乎所有的物质或材料里面都有碳元素,这些所有的物质生产、使用、消耗,最后都需要解决其使用到终端的问题。终端问题主要包括两个方面,一方面是化学,化学最终产品是二氧化碳和水,水还好解决,二氧化碳比较难,工业上可以解决一部分二氧化碳再利用,但是真正要解决二氧化碳恢复利用的话,亟需一个经济可行的办法,所以终端产品也要把它恢复使用,比如说要从水里面得到氢,从二氧化碳里面得到碳,让它恢复到起点,要实现这个循环,就要有一个大规模的经济有效的一个热化学转化过程。另一方面,我们大量的物质消耗,使用最后终端产品,废除了城市固废等,也包括生物质,它的大规模大处理量的转化利用,具有工业规模而且经济有效,没有工程热化学这样一个过程是不可能的。所以我们从这几个方面来看的话,我们天天讲的双碳和循环经济,如果没有工程热化学这样一个理念,那么其实现是不可能的。

工程热化学是实现循环经济的必由之路,从塑料废弃物到城市固废的处理和利用,工程热化学将不仅显示其规模性和经济性,还正在提高其有效性。碳中和目标从化学本质看,就是碳和氢的平衡和循环。碳和氢在能源利用后的终端产物是二氧化碳和水,断链重构为化学品或能源产品,能源产品的利用再生成二氧化碳和水,如此循环往复,以至无穷。其间,工程热化学必有其独特的地位。

经典意义的热化学转化有三类过程,即焚烧、气化和热解。它的重要特点一是规模化、二是经济性。其自由基链式反应特征使气液固三相均可参与反应。脱碳是一种已有的热加工过程,但应该赋以新的意义并实施新的应用,从减排的角度将要求资源加工链前端引入脱碳的步骤。化学键的断裂和重构正期待并探索更为有效的途径。碳能源包括天然气、石油、生物质和煤,还可以计入二氧化碳,其有效利用在于碳和氢的平衡,其中必然包括一系列的分子断键与重构。无论从大分子裂解生成较小的分子,或者从小分子构成较大的分子,热化学转化在很多过程中都可以发挥重要甚至不可替代的作用。

记者:目前我们工程热化学的推广应用到了怎样程度?今后将往哪个方向发展?

何鸣元:我觉得当前可能走得比较快的是生物质,生物质从热转化可以分成三个步骤层次,首先焚烧是完全氧化,其次气化是部分氧化,第三是热解。工程热化学最早应用是生物质,生物质从焚烧开始完全变成二氧化碳,人类文明就是从这开始了。第二是气化,华东理工大学等已经做了大量研究,这包括煤气化和生物质气化等,我们把含碳的生物质和一氧化碳进一步合成燃料化学品。生物质同时也有很多人做热解,煤的热解做得就不如生物质来得容易,生物质热解可以快速、中速也可以慢速的,三种不同速度得到不同的产品,产品再进一步转化利用。这个概念在生物质的利用里面已经起了一定作用,生物质通过热解出来的产品是生物质油,迄今为止没有形成市场规模。虽然有很多研究所在做这个研究,也有一些企业在做热解,热解油产品还是非常少量。

相比于由光、电诱发的化学反应,热诱发和热驱动的化学反应统称为热化学反应,大多以高温过程为标志,广泛应用于能源、化工、冶金、材料、国防等工业领域。只不过,在不同领域中,热化学反应有不同的类别:热分解、热裂解、气化、燃烧、热氧化、热还原……反应属性不同,却具有共性。煤炭、石油、天然气等碳基能源资源,其高效燃烧和利用的化学本质,在于碳和氢的平衡和循环。从分子角度来说,就是一系列分子断键与重构,无论是大分子裂解生成小分子,还是小分子构建大分子,都涉及热化学转化。因此,工程热化学在实现循环经济和“双碳”目标中具有重要的甚至不可替代的作用。

记者:您现在研究和关注的是在哪几个领域?

何鸣元:化学基本问题就是物质转化,物质转化对于碳科学来讲就是含碳物质的转化,所以对于转化过程发生什么?怎样才能使转化过程更有效?到底是经过哪些中间体来实现更有效转化?这是我目前关注的重点之一。第二个方面,我关注氢的问题,氢从哪里来?可以是从电解水中得到氢,我更关注有没有可能把水直接拿过来在反应里发挥氢的作用,水作为氢源来进行反应,我们不希望一定要让水分解,分解成氢运输还有很多困难,所以水直接作为氢源是我的一个关注点。第三就是氧化还原,怎样发展新的氧化还原材料,因为碳中和的问题实质上就是氧化还原的问题,对于氧化还原的进一步研究,怎样从电子的传递来更有效的实现氧化还原?尤其对新材料的发展,对纳米材料、碳纳米管等新材料的发展,对于新材料可以带来什么新的更好的变化?这几个问题,我始终非常关注,当然包括工程热化学中的问题。

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