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化工生产可持续发展的途径_绿色化学与技术工业革命改善了人们的生活水平，并促使人口数量高速增长。
然而，化石能源的快速消耗，造成了严重的环境污染和气候变暖。
尽管化学产品已成为人民生活中必不可少的内容，但在它们的生产过程中消耗了大量的自然资源并产生许多不必要的副产品。
要将现代化工技术广泛应用于工业过程中，化工过程优化和高效催化剂设计是亟待解决的重要课题。
解决能源和原材料短缺、可持续水资源利用和废水处理、二氧化碳捕集利用、清洁可再生能源开发、绿色经济型药物生产等是当前化学工作者广泛关注的重要问题。
本专题栏目着重讨论近年来绿色产品工程和绿色过程工程等绿色化工领域的最新进展。
绿色化工是化学工业实现可持续发展的有效途径，主要可分为两大发展方向：绿色产品工程，如开发新型催化剂，或者开发利用可再生资源(太阳能、生物质能等)产品；绿色过程工程，包括化工过程强化、新型反应介质、节能降耗、二氧化碳减排、新型反应器和新型分离等过程技术。
“绿色化工”专题中收录在《Engineering》2017年第3期，共有15篇相关论文。
本专题邀请到来自澳大利亚、加拿大、德国、意大利、荷兰、美国以及国内的相关院士与知名学者报道他们在绿色化工领域的最新研究进展，并对相关领域发展面临的问题和挑战进行展望，旨在为化工产业技术革新和可持续发展提供策略导向。
一、绿色产品工程绿色产品工程是指绿色化工产品的工程设计、开发和制造，或者是通过绿色生产过程得到产品。
绿色产品工程通常需要考虑成本、产能、质量、性能、可靠性、适用性、产品全生命周期和用户需求等相关的问题。
随着工业不断发展，二氧化碳排放逐年增加，通过二氧化碳加氢使二氧化碳转化为有价值的化学品和燃料，可望成为二氧化碳减排和再利用有效途径之一。
本期专题中，Kangvansura等在题为《钾/锰助剂对氮掺杂碳纳米管负载铁基催化剂在CO2加氢过程中的影响研究》的文章中报道了二氧化碳加氢的催化剂。
利用太阳能作为直接驱动力的二氧化碳-燃料转化技术，是实现二氧化碳减排和满足全球能源需求的另一类有效方法，Kho等在题为《复合镍基催化剂催化CO2光热甲烷化反应中氧化铈和氧化钛的助催化作用》的文章中介绍了这方面的研究成果。
现代化工产业的重点领域分析近年来，随着科技创新的不断推进，现代化工产业已经成为了我国的重要支柱产业之一。
而在众多的领域中，有些领域因为技术先进、市场需求大等原因而成为了现代化工产业的重点领域，这些领域的发展对于我国的经济发展和产业升级有着至关重要的作用。
本文将从若干个方面分析现代化工产业的重点领域。
一、新能源领域新能源作为未来的发展趋势，无疑是现代化工产业的重点领域之一。
在这个领域中，太阳能、风能和地热能等技术已经得到了长足的发展，并日渐成熟。
大量的化工原料是通过石油等化石能源提取而来，而新能源取代石油等传统能源，不仅可以解决环境污染问题，还可以大量节约有限的资源。
因此，在新能源领域中，专业化工企业可以积极投入研发和生产，以满足市场快速增长的需求。
二、生物医药领域随着人们对生命科学的深入研究，生物医药领域成为了现代化工产业的热门领域之一。
这个领域中的制药业一直占据着化工产业的重要位置。
随着人类寿命的延长和健康需求的日益增长，医药市场也在不断扩大。
化工企业可以借助现代生物技术的手段来开发新型药物，如基因治疗、免疫治疗、口服制剂等，帮助人类解决各种健康问题，并为国家的健康事业做出贡献。
三、电子材料领域在现代科技不断进步的背景下，电子信息技术也得到了迅速的发展。
现代通信技术的兴起和智能设备的普及，让电子材料成为了现代化工产业的重要领域之一。
电子材料的研发、制造和应用可以直接影响到电子产品的性能和质量，因此，专业化工企业可以通过不断优化电子材料的制造工艺，进一步提高电子产品的性能。
四、新材料领域材料科学技术是现代化工产业中的重要组成部分。
随着科技的不断进步，新型高性能材料的研发和应用也成为了许多化工企业必须关注和投资的重点领域。
例如，高分子材料、金属陶瓷材料和碳材料等，已经在汽车、机械、电子等行业中被广泛应用，并具有广阔的市场前景。
五、环保领域随着环境问题的不断加剧，如何保护环境成为了全球关注的热点话题。
微生物燃料电池12级新能源材料，程妮，学号106微生物燃料电池(microbial fuel cells ，MFCs)是一种利用微生物作为催化剂，将燃料中的化学能直接转化为电能的装置，是一种生物反应器。
自1911年英国植物学家Potter 发现微生物可以产生电流开始，有关MFCs 的研究一直在进行，但进展缓慢。
直到研究人员发现某些微生物能在无介体的条件下直接将体内产生的电子传递到电极，MFCs 的研究获得了突破性进展。
目前，MFCs 研究的主要内容是无介体MFCs 产电性能的改善，体现在污水处理、生物传感器的应用和生物修复等方面。
一、原理微生物燃料电池以附着于阳极的微生物作为催化剂，通过降解有机物(例如，葡萄糖、乳酸盐和醋酸盐等)，产生电子和质子。
产生的电子传递到阳极，经外电路到达阴极产生外电流。
产生的质子通过分隔材料(通常为质子交换膜、盐桥)，也可以直接通过电解液到达阴极。
在阴极与电子、氧化物发生还原反应，从而完成电池内部电荷的传递。
如图所示为MFCs 的工作原理示意图。
典型反应如下：阳极：C 6H 1206+6H 20一6C02+24H ++24e -阴极：602+24H ++24e -一一12H 20二、微生物燃料电池的结构微生物燃料电池主要有三种结构类型，即单室结构、双室结构和填料式结构。
［1］(一)、单室结构的MFCs 单室MFCs 通常直接以空气中的氧气作为氧化剂，无需曝气，因而具有结构简单、成本低和适于规模化的优势。
单室的功率密度为480～492mW ／m 2，单室MFCs 无分隔材料和阴极液，内阻较双室小。
但是单室MFCs 的库仑效率(CE)比双室低(单室库仑效率为10％，而双室则为42％～61％)。
(二)、双室结构的MFCs 典型的双室MFCs 包括阳极室和阴极室，中间由PEM 或盐桥连接。
双室的功率密度为38～42mW ／m 2。
MFCs 从外形上又分为平板型和管型。
以厌氧污泥为活性微生物，以葡萄糖为底物，以颗粒石墨为阳极的管状ACMFCs，其最大功率密度达到50．2W／m2。
自然科学知识：生物能源和生物技术生物能源和生物技术是当今社会中最重要的热门话题之一。
这两个领域的发展对解决能源短缺和环境污染问题具有重要的意义。
本文将分别探讨生物能源和生物技术的相关知识以及其对我们生活的影响。
生物能源是指通过生物体制生产出来的可再生能源。
生物能源的主要来源包括生物柴油、生物天然气和生物质能。
其中，生物柴油和生物天然气利用微生物菌群群体，通过嗜热细菌（thermophilic bacteria）等生物体系进行发酵产气，从而生成生物柴油和生物天然气等能源。
同时，生物质能是由植物或其他生物来源（如农业和林业废弃物）提炼的能源。
生物能源的发展与利用能够能够有效解决能源紧缺以及环境污染的问题。
目前，全球各国都在加强生物能源的研究开发，以解决石化能源日益短缺的问题。
根据统计数据，生物能源的利用量已经在逐年增长，并将逐步替代石化能源成为人们的主要能源来源。
随着生物能源的使用量的不断扩大，必然会对环境造成影响，因此需考虑如何合理地利用生物能源来减少对环境的影响。
同时，为了增加生物能源的利用效率，需要不断地进行技术创新，开发新的生物能源产业链，加强生物能源的研发、生产、检测和应用等方面的科技创新，从而提高生物能源的质量和效率。
生物技术是应用生物学和分子生物学等相关知识，在生物体系中进行分析和应用，制造新的物质或改造已有物质的技术。
生物技术的应用广泛，包括医学、农业、环境保护、食品工业、化学工业等多个领域。
生物技术的发展与应用需要人们的不断创新与探索。
目前，生物技术已经成为新兴产业，在现代化工生产与生命科学的交汇点处发挥了重要作用。
通过生物技术的应用，我们可以对生物分子、组织和细胞等方面进行研究，制造出具有人类性质的复杂分子和制品，例如重组人胰岛素、人生长激素、免疫抑制剂等等，从而为人类疾病的治疗提供了更好的手段。
同时，生物技术也对农业和食品工业带来了革命性的变化。
通过遗传工程技术，可以改造农作物的特性，提高农作物的产量和耐受性，从而更好地解决全球食物短缺问题。
化工导论内容答案解析(参考)考试必备1.化学工程与技术包括哪些二级学科？各学科的研究内容和方向都有哪些？二级学科：1.化学工程：化工热力学、传递过程原理、分离工程、化学反应工程、过程系统工程及其他学科分支。
2.化学工艺：研究化学品的合成机理、生产原理、产品开发、工艺实施过程及装备的设计与优化，所涉及的工业领域包括采用化学加工过程，生产石油及石油化工、煤化工、基本有机化工、无机化工、化工冶金和高分子化工产品的工业部分。
3.生物化工：研究有生物体或生物活性物质参与过程的基本理论和工程技术。
研究方向有遗传工程、细胞工程、酶工程及工程技术理论等。
4.应用化学：研究内容包括化工产品制备、分离与精制、产品复配与商品化，以及精细化学品、专用化学品、功能材料与器件研制过程中的合成化学、物理化学、化工单元反应及工艺、生物技术等。
研究方向有化工、电子、能源、材料、航天、兵器、环境工程技术等。
5.工业催化：研究方向包括表面催化、分子催化、生物催化、催化剂制造科学与工程、催化反应工程、新催化材料与新催化工程开发、环境催化、能源与资源精化过程中的催化、化学工业与石油炼制催化等。
2.常用的化工原料有哪些？常用的化工原料有哪些？矿物原料：金属矿、非金属矿和化石燃料矿。
生物资源：动物原料、植物原料；主要来自农、林、牧、副、渔的植物体和动物体。
其他原料：空气、水、垃圾废料。
3.化学与化工有何区别？化学——新物质的合成、新化学反应的发现、研究物质的化学结构与性质、化学反应的机理、规律、理论。
属于理科。
化工——将实验室合成的化学物质或化学反应放大到工业规模的运用与实现。
属于工科。
4.分离工程中物系的分离方法可以如何分类？分离组分在原料中浓度大小：富集、浓缩、纯化、除杂。
采用方法的不同：物理分离、化学分离。
相态的不同：非均相混合物的分离、均相混合物的分离。
5 课程中都提到了那些化工单元操作？从本质上来说，这些单元操作可归纳为那些传递过程？流体输送、搅拌、加热、冷却、蒸发、蒸馏、萃取、吸收、吸附、沉降、过滤、干燥、离子交换、膜分离、结晶、颗粒分级等归结为：动量传递、质量传递和热量传递三大类6 化学工业的定义及其分类化学工业的定义及其分类。
现代化工生物能源技术洁净新能源有绿色能源之称，它的最大特点是燃烧或使用后不造成环境污染，有利于维持生态平衡。
发展洁净新能源是未来能源业建设的发展方向。
21世纪所面临的最大难题及困境可能不是战争及食品，而是能源。
因为目前整个人类发展和工农业生产，几乎都是依赖于这些很有限的化石能源。
随着地球上化石能源的不断耗尽，寻找、改善及提高可再生能源利用率和发明创造新技术以最大限度地开采不可再生能源的做法很可能是今后几十年内人类从地球上获取能源的有效举措。
虽然以水力、潮汐、风力为动力的发电设备及太阳能捕获器、地热已为人类提供一定的能源，但离人类对能源的需求还相差甚远。
设法利用新技术创造更多的能源并代替不可再生的化石燃料，用于满足人类生存的需求，也将是人类寻找新能源惟一明智的做法。
然而，这种新技术实际上已被和正在被人类所利用，即生物技术创造能源。
微生物技术与石油开采一微生物培养技术在勘探石油上的运用1937年，地质科学工作者在进行直接分析底土(原生风化土)中的烃含量(气测法)，并用于判断地下油气的储存量时，发现油区底土中的重烃含量与季节变化存在一定联系。
这种依季节而变的起因是由于微生物活动引起的。
因而提出了油气田中的气态烃可借扩散方式抵达地面，及地表底土中存在能利用气态烃为碳源的微生物等看法。
此外，这些菌在土壤中的含量与底土中的烃浓度存在对应的关系，所以可作为勘探地下油气田的指示菌。
随着微生物培养技术及菌数测定方法的不断改进，利用微生物勘探石油这项技术得到迅速发展。
美国、前苏联、捷克斯洛伐克、波兰、匈牙利和日本等国家都用。
1957年有人报道，用微生物勘探确认的16个油矿中，其中有13个有开采价值的油气田及3个无开采价值的油气田，油气区准确率100%。
近十几年来，虽然随着计算机应用的普及和先进的分析技术不断地涌现，勘探石油的技术也随之日益更新且准确率不断地提高，但利用微生物勘探石油这一项生物工程技术仍是一项行之有效的辅助性并具有科学性的技术。
二生物能源的特点1、生物质能源在燃放过程中，对环境污染小。
生物质能源在燃放过程中产生二氧化碳，排放的二氧化碳可被等量生长的植物光合作用吸收，实现二氧化碳零排放，这对减少大气中的二氧化碳含量及降低“温室效应”极为有利。
2、生物质能源蕴含量巨大，而且属于可再生能源。
只要有阳光存在，绿色植物的光合作用就不会停止，生物质能源就不会枯竭。
大力提倡植树、种草等活动，不但植物会远远不断的供给生物质能源源材料，而且还能改善生态环境。
3、生物质能源具有普遍性、易取性特点。
生物质能源存在于世界上国有国家和地区，而且廉价、易取，生产过程十分简单。
4、生物质能源可储存和运输。
在可再生能源中，生物质能源是唯一可以储存与运输的能源，对其加工转换与连续使用提供方便。
5、生物质能源挥发组分高，炭活性高，易燃。
在400℃左右的温度下，生物质能源大部分挥发组分可释出，将其转化为气体燃料比较容易实现。
生物质能源燃烧后灰分少，并且不易黏结，可简化除灰设备。
三生物能源的分类1. 农林废弃物包括农业废弃物和林业废弃物。
农业废弃物指的是农作物收获时农田中产生的残余物，，可以利用的有谷物、根茎作物和甘蔗残余物等。
林业废弃物指的是木材加工部门从原材料制造各种木质一次制品时产生的废物，以及木材利用部门以一次制品为原料形成建筑物等二次产品时产生的废物。
农业废弃物产生的方式和量随产生的地点的不同而不同，对应于收获量的残余物产生比率，米为140%、麦为130%、玉米为100%、根茎作物为40%。
世界上产生的农林废弃物总共约为30亿吨，米的残余物最多，约为8.36亿吨。
此外，根茎作物残余物为2.72亿吨，麦残余物为7.54亿吨，玉米残余物为5.91亿吨。
2. 有机污水有机污水指的是丰富有机物质的排放废水，其中包括工业污水、农业污水以及生活污水等。
由于清洁、高效、可再生等突出特点，氢气作为能源日益受到人们的重视。
目前制取氢气的的方法有：水电解法、热化学法、光电化学法、等离子化学法、生物制氢法。
从生物制氢的成本角度考虑，利用这些单一基质制取氢气的费用比较高，而利用工农业有机废水等廉价的复杂基质来制取氢气，能使废物质得到资源化处理，降低它的生产成本。
利用混合菌种产氢技术逐步成熟，并取得了较大成果。
3. 禽畜粪便禽畜粪便也是一种重要的生物质能源。
除在牧区有少量的直接燃烧外，禽畜粪便主要是作为沼气的发酵原料。
中国主要的禽畜是鸡、猪和牛，根据这些禽畜品种、体重、粪便排泄量等因素，可以估算出粪便资源量。
根据计算，目前我国禽畜粪便资源总量约8.5亿吨，折合7840多万吨标煤，其中牛粪5.78亿吨，4890万吨标煤，猪粪2.59亿吨，2230万吨标煤，鸡粪0.14亿吨，717万吨标煤。
4. 生活随着城市规模的扩大和城市化进程的加速，中国城镇的产生量和堆积量逐年增加。
1991和1995年，全国工业固体废物产生量分别为5.88亿吨和6.45亿吨，同期城镇生活量以每年10%左右的速度递增。
1995年中国城市总数达640座，清运量10750万吨。
四生物能源的原料来源1. 按照原料的化学性质分，生物质能源原料可分为：糖类、淀粉和木质纤维素物质。
2.按照原料的来源分，生物质能源原料可分为：农业生产废弃物，主要为农作物秸秆；薪柴和柴草；农林加工废弃物，木屑、谷壳和果壳；人畜粪便和生活有机等；工业有机废弃物，有机废水和废渣等；能源植物，包括所有可作为能源用途的农作物、林木和水生植物资源。
五生物能源的地位与重要性从生物质能的资源总体构成来看，目前我国农村中生物质能约占全部生物质能的70％以上，其他主要是城镇生活、污水和林业废弃物，而从先进国家目前的生物质资源和利用来看，其主要构成均都是以林业废弃物和薪炭林为主。
我国随着薪炭林技术的发展和工业艺水平的提高，这方面的比例也会越来越大，所以这方面的开发利用量也是不容忽视的。
世界生物能源技术的发展应用主要有四大方向：基于沼气池等传统设备的生物能源技术、基于生物优选和转基因技术的生物燃料技术、生物发电技术、生物燃料电池技术。
在这些技术方向上，系统化的工业应用项目已经大量投入运行。
在主要攻关方向上，国外也出现了很多重大研究突破。
六我国生物能源技术的发展应用情况我国生物能源技术的发展取得了很多成就。
例如，我国已经能够独自设计、建设大型生物发电厂，而且主要设备都已经实现国产化。
我国在生物燃料电池、优选生物燃料的研究方面也取得了很多技术突破。
在沼气技术方面，我国研究、筛选了300多株厌氧微生物菌种，认定了严禁沼气池使用的材质，如黄花蒿、梧桐叶、臭椿叶、水杉、桃叶、苦楝叶、断肠草、猫儿眼、银杏叶、辣蓼子、泡桐叶等。
在嗜热厌氧纤维素酶、产甲烷菌、纤维素厌氧降解及沼气发酵菌剂、嗜热纤维素分解菌、复合沼气发酵菌剂、沼气厌氧固态发酵、厌氧纤维素分解菌等领域，我国也取得了很多技术成就。
在技术标准化方面，我国也取得了很多成果。
例如，《沼气工程技术规范第1部分：工艺设计》、《沼气工程技术规范第2部分：供气设计》、《沼气工程技术规范第3部分：施工及验收》、《沼气工程技术规范第4部分：运行管理》、《沼气工程技术规范第5部分：质量评价》、《规模化畜禽养殖场沼气工程运行、维护及其安全技术规程》、《规模化畜禽养殖场沼气工程设计规范》和《沼气发电机组》等工业标准已经颁布实施。
七现代生物技术在新能源领域的运用1、发展新型燃料电池燃料电池使用气体燃料（如氢、甲烷等）与氧气直接反应产生电能，其效率高、污染低，是一种很有前途的能源利用方式。
传统燃料电池使用氢为燃料，而氢气不易制取又难以储存，致使燃料电池成本居高不下，美国宾夕法尼亚大学研究人员设计出以甲烷等碳氢化合物为燃料的新型电池，其成本大大低于以氢为燃料的传统燃料电池。
研究人员曾尝试用便宜的有关碳氢化合物为燃料，但化学反应的“残渣”很容易积聚在镍制的电池正极上导致断路，而使用铜和陶瓷的混合物制造电池正极，解决了“残渣”积聚问题。
新研制的燃料电池可用甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等5种碳氢化合物做燃料源，可以通过微生物发酵途径生产甲烷等碳氢化合物，成为研制新型燃料电池较为丰富而广泛的原料来源。
目前这种新型燃料电池的能量转换效率还较低，有待进一步研究改进提高。
2、开发军民两用的生物能源不论军用的兵器如机动装备大部分，或是民用的汽车等交通工具均以汽油、柴油为燃料、若用氢气作燃料更为理想，其特点：（1）洁净，不污染环境；（2）热效率高，约是汽油的3倍；（3）生物制取氢气有潜力。
正因为如此，充分利用生物技术生产氢气将大有可为。
如用一种红假单胞菌（rhodopseudomonassp）为生产菌，以淀粉为原料生产氢气取得良好效果，每消耗1克淀粉可产氢气1毫升。
用氢和其他少量燃料混合可替代汽油、柴油。
乙醇也是一种洁净生物燃料，用途广泛，可用来替代汽油和柴油。
日本、加拿大等国家用基因技术建构的“工程酵母”以其高产酶的活力，酶解纤维素制取乙醇；也有建构的“工程大肠杆菌”能将葡萄糖有效地转化成乙醇；这类乙醇均可替代汽油或柴油使用，随时为机动装备提供大量生物燃料。
其实，产氢、产乙醇的生物不仅有细菌或“工程菌”，而且某些藻类或其他微生物均有生产氢或乙醇的能力。
美国加州大学等研究人员发现一种叫莱因哈德衣藻（chlamydomonasreinhadtii）的绿藻（真核生物）具有持续大量产氢能力。
关键在于控制其生长环境，从生长营养液中去除硫素，在此情况下藻体停止了光合作用、不产氧；在无氧条件下藻体必须以其它途径产生腺茸三磷酸酯维所需要的能量，利用所贮存的能源以实现其最终产氢的目的。
一般说，这种天然藻产氢量很低，为此，一方面控制其生长所必需的或障碍生长的关键因素；另一方面，采用分子遗传技术改造藻的特性，以提高其产氢能力。
由此可见，充分利用各种生物开发军民两用的洁净生物能源是有潜力的。
3、微型绿藻是索取氢能的最廉价途径上面已提到绿藻和微生物产氢途径，这里强调微型绿藻制取氢气的前景，科学家预测，当石油和天然气耗尽时，氢气也许是一种较为理想的能源。
关键在于找到一种廉价产氢的方法。
有专家认为，利用普通池塘绿藻的产氢能力或许是个最实际的选择---经济实用，分布广。
绿藻这种微型低等植物繁殖快，全世界到处都有它的分布，它在有水、阳光的条件下具有制造氢气的能力。
在人工控制下可迫使绿藻按要求生产氢气，有实验研究报告指出，一升绿藻培养液每小时可产氢3毫升，还需进一步提高产氢效率。
注意两点：（1）运用基因工程技术改进这种产氢系统，有可能使氢气产量增加10倍或更高些；（2）细胞固定化技术的应用，有可能提高微型绿藻持续产氢能力。
在德国、加拿大、日本等国家为实现“洁净氢能源”的开发计划，积极建立“产氢藻类农场”，为实现氢能源规模生产做出巨大努力。
