高文強, 杜磊，焦緯洲，劉有智
（中北大學） 內容簡介 超重力技術是一種新型化工過程強化技術，在超重力場中高速旋轉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，使得液相傳質系數(shù)比傳統(tǒng)塔設備提高2-8倍。超重力技術已廣泛應用于多個化工領域并取得了巨大的成功，如吸收、精餾、除塵、廢水處理等領域。 本文提出了一種在旋轉填充床(Rotating Packed Bed)反應器中將芐醇臭氧化為酮和醛的新方法。醇被氧化為相應的醛酮是有機合成中最基礎、用途最廣泛的官能團轉換反應之一，在基礎研究領域和精細化工生產中占有重要地位。傳統(tǒng)氧化法存在很多不足之處，構建新型氧化體系應遵循綠色化學理念，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，不產生有害、有毒的副產品等。力求使化學反應具有“原子經濟性”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，它是一種強氧化劑且無二次污染。鑒于臭氧氧化法中存在的臭氧傳質效率低、利用率低等缺點，將超重力技術與臭氧氧化法有機相結合，利用超重力旋轉填料床強化氣液傳質的特性，提高臭氧傳質以期實現(xiàn)對醇類化合物進行高效快速的氧化。構建超重力技術耦合臭氧氧化體系來制備醛酮類化合物具有潛在應用價值以及綠色環(huán)保等優(yōu)點。 將超重力技術應用于精細化工領域中具有潛在的應用價值。首先使用1-苯基乙醇作為模型反應物，研究了反應溶劑、臭氧氣相濃度、反應時間、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溶劑為乙酸乙酯、臭氧氣相濃度為 80mg·L-1、反應時間為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)鼓泡反應器相比，反應收率提高了28%。通過電子順磁共振儀 Electron Paramagnetic Resonance(EPR)對反應過程中產生的活性自由基進行表征，結果表明，在反應過程中包括臭氧直接氧化和臭氧間接氧化這兩種進程，并且間接氧化在反應過程中占主導地位。另外，用氣相色譜-質譜聯(lián)用儀(GC-MS)分析了產物，進一步確定生成的產物中主要是苯乙酮，同時會生成副產物苯甲酸。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)生臭氧解反應生成苯甲酸。最后對該方法的普適性進行研究，即對反應底物中引入取代基，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。研究結果表明，反應均可取得中等以上的轉化率(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于仲醇的氧化合成酮類化合物。 圖表摘要 通信作者及團隊介紹 焦緯洲，博士，教授，博士生導師，中北大學化學工程與技術學院副院長，超重力化工過程山西省重點實驗室副主任，山西省“青年三晉學者”特聘教授，主要從事超重力多相流傳質與化學反應研究，以超重力技術為依托，重點開展了超重力環(huán)境下流體力學與傳遞過程、氣體凈化與多相分離、多相快速反應等領域的基礎科學問題和關鍵技術研究，在氣體凈化、廢水處理、乳化技術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等國內外重要學術期刊公開發(fā)表論文160多篇，其中被SCI、EI收錄近80篇，授權國家發(fā)明專利78件，獲國家科技進步二等獎1項（第3）、山西省科學技術獎4項（第2、3、4、5）、《超重力裝置》行業(yè)標準1項（第2）等。獲侯德榜化工科學技術獎、科學中國人（2016）年度人物獎、山西省“三晉英才”支持計劃拔尖骨干人才、山西省學術技術帶頭人、山西省模范教師、山西省科教興晉突出貢獻專家、山西省高等學校優(yōu)秀青年學術帶頭、山西省高等學校131領軍人才工程等榮譽，山西省優(yōu)秀博士學位論文獲得者；擔任中國化工學會化工過程強化專業(yè)委員會副秘書長/委員、山西省化學會常務理事、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。 超重力化工過程山西省重點實驗室主要從事超重力環(huán)境下的多相流混合、反應、分離的基礎與應用研究，經過20多年的發(fā)展，逐步形成超重力場多相流特性、超重力場化學反應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研究中心、山西省煤基工業(yè)氣體深度凈化技術高校協(xié)同創(chuàng)新中心、山西省超重力環(huán)保產業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟和超重力化工過程強化山西省科技創(chuàng)新重點團隊等多個科研平臺。其宗旨是探索超重力過程強化的基礎理論與方法，解決超重力工程化的關鍵共性問題，開發(fā)清潔高效的超重力過程強化工藝和設備，實現(xiàn)達到大幅度減少設備體積、節(jié)省投資、降低能耗和減少環(huán)境污染的過程強化目的。 實驗室在劉有智教授的帶領下，研究成果涉及超重力場中流體力學、傳質性能、氣體凈化、廢水處理、化學反應、工程放大等領域，取得了許多有價值的學術研究成果。實驗室承擔國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金等國家和省部級科研項目58項，獲國家科技進步二等獎1項、省部級科技進步獎9項；起草我國第一部《超重力裝置》行業(yè)標準；發(fā)表學術論文500余篇，出版《化工過程強化方法與技術》、《超重力化工過程與技術》等系列超重力專著5部；申請和授權國家發(fā)明專利142件。經多年發(fā)展，研發(fā)了低成本、高效率的超重力強化污染物脫除技術與成套裝備，取得具有完全自主知識產權的關鍵創(chuàng)新成果，應用于化工、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，提質增效和節(jié)能減排效果顯著，促進行業(yè)科技進步和技術跨越發(fā)展。 全文鏈接： https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1004954120300781?via%3Dihub
