高文強(qiáng), 杜磊，焦緯洲，劉有智
（中北大學(xué)） 內(nèi)容簡介 超重力技術(shù)是一種新型化工過程強(qiáng)化技術(shù)，在超重力場中高速旋轉(zhuǎn)的填料將液體切割成的較薄的液膜和較小的液滴，氣液接觸良好和表面更新速率快，使得液相傳質(zhì)系數(shù)比傳統(tǒng)塔設(shè)備提高2-8倍。超重力技術(shù)已廣泛應(yīng)用于多個化工領(lǐng)域并取得了巨大的成功，如吸收、精餾、除塵、廢水處理等領(lǐng)域。 本文提出了一種在旋轉(zhuǎn)填充床(Rotating Packed Bed)反應(yīng)器中將芐醇臭氧化為酮和醛的新方法。醇被氧化為相應(yīng)的醛酮是有機(jī)合成中最基礎(chǔ)、用途最廣泛的官能團(tuán)轉(zhuǎn)換反應(yīng)之一，在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域和精細(xì)化工生產(chǎn)中占有重要地位。傳統(tǒng)氧化法存在很多不足之處，構(gòu)建新型氧化體系應(yīng)遵循綠色化學(xué)理念，綠色氧化方法是從源頭上解決環(huán)境污染問題，避免或不用對生態(tài)環(huán)境有害、有毒的原料、溶劑、試劑以及催化劑，不產(chǎn)生有害、有毒的副產(chǎn)品等。力求使化學(xué)反應(yīng)具有“原子經(jīng)濟(jì)性”以及實現(xiàn)廢物的零排放和環(huán)境零污染。本論文采用臭氧作為氧化劑，它是一種強(qiáng)氧化劑且無二次污染。鑒于臭氧氧化法中存在的臭氧傳質(zhì)效率低、利用率低等缺點(diǎn)，將超重力技術(shù)與臭氧氧化法有機(jī)相結(jié)合，利用超重力旋轉(zhuǎn)填料床強(qiáng)化氣液傳質(zhì)的特性，提高臭氧傳質(zhì)以期實現(xiàn)對醇類化合物進(jìn)行高效快速的氧化。構(gòu)建超重力技術(shù)耦合臭氧氧化體系來制備醛酮類化合物具有潛在應(yīng)用價值以及綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。 將超重力技術(shù)應(yīng)用于精細(xì)化工領(lǐng)域中具有潛在的應(yīng)用價值。首先使用1-苯基乙醇作為模型反應(yīng)物，研究了反應(yīng)溶劑、臭氧氣相濃度、反應(yīng)時間、超重力因子、液體流量對苯乙酮收率的影響規(guī)律。得到優(yōu)化的工藝條件是反應(yīng)溶劑為乙酸乙酯、臭氧氣相濃度為 80mg·L-1、反應(yīng)時間為30min、超重力因子為40、液體流量為 120L·h-1，在優(yōu)化的工藝條件下得到苯乙酮收率為 78%。與傳統(tǒng)鼓泡反應(yīng)器相比，反應(yīng)收率提高了28%。通過電子順磁共振儀 Electron Paramagnetic Resonance(EPR)對反應(yīng)過程中產(chǎn)生的活性自由基進(jìn)行表征，結(jié)果表明，在反應(yīng)過程中包括臭氧直接氧化和臭氧間接氧化這兩種進(jìn)程，并且間接氧化在反應(yīng)過程中占主導(dǎo)地位。另外，用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)分析了產(chǎn)物，進(jìn)一步確定生成的產(chǎn)物中主要是苯乙酮，同時會生成副產(chǎn)物苯甲酸。這主要是由于苯乙酮中酮羰基通過烯醇互變，然后與臭氧發(fā)生臭氧解反應(yīng)生成苯甲酸。最后對該方法的普適性進(jìn)行研究，即對反應(yīng)底物中引入取代基，如苯甲醇、對硝基苯甲醇、對甲氧基苯甲醇、二苯甲醇以及9-芴醇。研究結(jié)果表明，反應(yīng)均可取得中等以上的轉(zhuǎn)化率(75%~100%)，但是仲醇的選擇性(85%~92%)要明顯高于伯醇(19%~54%)，這是因為伯醇首先被臭氧氧化成相應(yīng)醛后，由于醛類化合物不穩(wěn)定，又被臭氧深度氧化成羧酸。由此可以說明該方法更適應(yīng)于仲醇的氧化合成酮類化合物。 圖表摘要 通信作者及團(tuán)隊介紹 焦緯洲，博士，教授，博士生導(dǎo)師，中北大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院副院長，超重力化工過程山西省重點(diǎn)實驗室副主任，山西省“青年三晉學(xué)者”特聘教授，主要從事超重力多相流傳質(zhì)與化學(xué)反應(yīng)研究，以超重力技術(shù)為依托，重點(diǎn)開展了超重力環(huán)境下流體力學(xué)與傳遞過程、氣體凈化與多相分離、多相快速反應(yīng)等領(lǐng)域的基礎(chǔ)科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)研究，在氣體凈化、廢水處理、乳化技術(shù)等方面形成了特色和優(yōu)勢，并取得了一定的創(chuàng)新性研究成果。主持國家自然科學(xué)基金、山西省優(yōu)秀青年基金、山西省優(yōu)秀人才科技創(chuàng)新項目等科研項目18項。在Industrial & Engineering Chemistry Research、Chemical Engineering Journal等國內(nèi)外重要學(xué)術(shù)期刊公開發(fā)表論文160多篇，其中被SCI、EI收錄近80篇，授權(quán)國家發(fā)明專利78件，獲國家科技進(jìn)步二等獎1項（第3）、山西省科學(xué)技術(shù)獎4項（第2、3、4、5）、《超重力裝置》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1項（第2）等。獲侯德榜化工科學(xué)技術(shù)獎、科學(xué)中國人（2016）年度人物獎、山西省“三晉英才”支持計劃拔尖骨干人才、山西省學(xué)術(shù)技術(shù)帶頭人、山西省模范教師、山西省科教興晉突出貢獻(xiàn)專家、山西省高等學(xué)校優(yōu)秀青年學(xué)術(shù)帶頭、山西省高等學(xué)校131領(lǐng)軍人才工程等榮譽(yù)，山西省優(yōu)秀博士學(xué)位論文獲得者；擔(dān)任中國化工學(xué)會化工過程強(qiáng)化專業(yè)委員會副秘書長/委員、山西省化學(xué)會常務(wù)理事、山西省低碳科技發(fā)展研究會理事、《Chinese Journal of Chemical Engineering》青年編委、《Journal of Measurement Science and Instrumentation》編委、《含能材料》青年編委等職務(wù)。 超重力化工過程山西省重點(diǎn)實驗室主要從事超重力環(huán)境下的多相流混合、反應(yīng)、分離的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究，經(jīng)過20多年的發(fā)展，逐步形成超重力場多相流特性、超重力場化學(xué)反應(yīng)與分離過程和超重力煤化工污染物控制三個穩(wěn)定的研究方向，擁有山西省超重力化工工程技術(shù)研究中心、山西省煤基工業(yè)氣體深度凈化技術(shù)高校協(xié)同創(chuàng)新中心、山西省超重力環(huán)保產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟和超重力化工過程強(qiáng)化山西省科技創(chuàng)新重點(diǎn)團(tuán)隊等多個科研平臺。其宗旨是探索超重力過程強(qiáng)化的基礎(chǔ)理論與方法，解決超重力工程化的關(guān)鍵共性問題，開發(fā)清潔高效的超重力過程強(qiáng)化工藝和設(shè)備，實現(xiàn)達(dá)到大幅度減少設(shè)備體積、節(jié)省投資、降低能耗和減少環(huán)境污染的過程強(qiáng)化目的。 實驗室在劉有智教授的帶領(lǐng)下，研究成果涉及超重力場中流體力學(xué)、傳質(zhì)性能、氣體凈化、廢水處理、化學(xué)反應(yīng)、工程放大等領(lǐng)域，取得了許多有價值的學(xué)術(shù)研究成果。實驗室承擔(dān)國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等國家和省部級科研項目58項，獲國家科技進(jìn)步二等獎1項、省部級科技進(jìn)步獎9項；起草我國第一部《超重力裝置》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；發(fā)表學(xué)術(shù)論文500余篇，出版《化工過程強(qiáng)化方法與技術(shù)》、《超重力化工過程與技術(shù)》等系列超重力專著5部；申請和授權(quán)國家發(fā)明專利142件。經(jīng)多年發(fā)展，研發(fā)了低成本、高效率的超重力強(qiáng)化污染物脫除技術(shù)與成套裝備，取得具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵創(chuàng)新成果，應(yīng)用于化工、環(huán)保、能源、火炸藥等行業(yè)，遍及山東、山西、甘肅、四川、貴州、新疆等地，提質(zhì)增效和節(jié)能減排效果顯著，促進(jìn)行業(yè)科技進(jìn)步和技術(shù)跨越發(fā)展。 全文鏈接： https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1004954120300781?via%3Dihub
