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斯泰工业:无金属催化剂:工业废气氧硫化碳“化身”高档树脂镜片

时间:2019-08-13 10:57:28  来源:  作者:

工业废气,作为工业化进程中的排放物,一直对自然环境和人类身体健康造成较大影响。解决工业废气的排放问题,是多年来人类一直去研究探索的问题。


近日,工业废气的问题再一次被科学家所破解。通过一种特色的共聚反应,废气氧硫化碳变成了一种特别的固体材料,这种透明的材料未来可以被用来合成制造树脂眼镜片、光纤的原料。


这一新技术是由浙江大学高分子系张兴宏教授课题组所研发,相关研究成果在《自然·通讯》上发表。


在化学工作者眼中,氧硫化碳的回收和利用,对于我国这样的煤炭和石油消费大国,有着极大的社会与经济意义。


可恶的氧硫化碳


氧硫化碳是在燃煤、炼油和化工过程中产生的一种禁排的废气。之所以说它是废气,因为它对于自然环境和身体健康来说,一直都是百害而无一利。


氧硫化碳会严重腐蚀生产设备,当随着废气散逸到高空中时,还会产生二氧化硫导致酸雨。酸雨则会导致土地酸化,影响植物生长发育,对城市建筑腐蚀,导致人类疾病增加等。


另外,氧硫化碳还会被光氧化破坏臭氧层。


氧硫化碳除了在工业中产生,也经常出现在家庭内外。如下水道里的反水味道以及冰箱里坏掉食物的气息,就是氧硫化碳的味道。


一直以来,人类都是致力于对氧硫化碳等工业废气排放的处置,常见的方式莫过于减少排放,这一做法带来的是减少产能或者增加巨大的废气治理投入,如脱硫处理。


脱硫处理是当前比较主流的做法之一,但脱硫之后,这些脱除的含硫物质又该如何处理,依旧是摆在人类面前的一道难题。


变废为宝的神奇


研究高分子材料已有十几年时间的张兴宏就开始了思考和研究,他们的研究目标是寻找最为有效的专一催化体系,让气态的氧硫化碳固定下来。


经过了10年的研究,张兴宏成功将氧硫化碳回收利用为高分子材料。


在张兴宏课题组实验室里,记者看到,把氧硫化碳和环氧化合物——一种常见、廉价的化学原料——和催化剂共同置于高压釜中,两者就能聚合成为一种无毒、无色透明的新物质。


“这样得到的含硫高分子材料,重量的一半来源于氧硫化碳,回收利用效率高。”张兴宏介绍,聚合反应所得到的材料折光指数和阿贝数都较高,是理想的光学树脂。


折光指数和阿贝数是我们通常会在眼镜店里遇到的两个指标。同样的度数,折光指数高的镜片轻、薄,不会变成“啤酒瓶底”。阿贝数高的镜片能更准确地反映世界的色彩。


张兴宏表示,由含硫废气合成的光学树脂加工性能良好,可方便地制造镜片、光纤等,大有用武之地。


无金属催化剂劳苦功高


之所以能将氧硫化碳变成树脂眼镜的材料,核心是催化剂。


找到合适的催化剂是此类研究中的一个巨大挑战,张兴宏是幸运的,成功发现了这一催化剂。


“常温下,氧硫化碳不能自聚。我们在早期已经实现了氧硫化碳与环氧化合物共聚,将它有效地转变为材料。但我们采用的是金属催化剂,而人们最大的诉求就是材料中不能含有重金属。”张兴宏说。


张兴宏团队进一步开展对非金属催化剂的研究,将两种含氮的有机小分子组合起来,形成了简单、便宜、效果好的催化体系。


碳酸酐锌酶在地球早期有生命的时候就广泛存在了,它对于调节身体酸碱性、维系生命具有重要的作用。在自然界中,碳酸酐锌酶能抓到氧硫化碳,并把它转化为硫化氢。


张兴宏团队深入研究了碳酸酐锌酶为何能高效活化氧硫化碳的机制,借鉴其功能和结构,最终找到了一种非金属催化剂,成功将氧硫化碳转化为有用的材料。


这种新催化体系简单、便宜、效果好,特别是催化剂不含金属,使得到的含硫高分子展现出本来的无色透明品质。


“目前制备含硫高分子都用难以储运的剧毒光气和硫醇等为原料,我们提出的新方法为探索非光气路线带来了突破。”张兴宏表示,这项研究成果数控技术的产业机械加工化前景看好。

氧硫化碳的变身传奇故事


我是混社会的,谁见谁头大


我是氧硫化碳。一种不易觉察,但无处不在的废气。


我是人类世界现代化的产物。工业革命之后,人类的生产生活进入了极大依赖石化资源的时代。我就是燃煤、炼油和化工过程中产生的“废气”。


看看,明明是你们一手创造了我,却又给我扣了顶“废气”的大帽子。


我不服机械加工,我强烈地刷存在感,我知道我对人类最大的威胁就是身体中含有的硫。


所以,在工业上,我是严禁排放的环境污染物——因为能够轻而易举地腐蚀设备;


如果我散逸到高空中,就会产生二氧化硫导致酸雨;


如果我被光氧化,就能够破坏臭氧层。


其实,我还藏在日常生活的小角落里。闻过下水道里的反水味道吗?还有冰箱里坏掉的食物的气息,很难闻,是吧,那也是我。


你们人类啊,拿我没办法


你们人类处理废气有两种方式:遏制产出;变废为宝。


其实,世界上很少有科学实验室惦记我,因为相比于世界级网红废气二氧化碳,我实在不太瞩目。


所以,之前从来没有人考虑过,如何给我变身。人类对付我的方法,就是在工业过程中“脱硫”,把我体内有害的成分剔除。


不过,张兴宏的实验室盯上了我,他们想把我改造成固体材料。理论上,只要进行一个聚合反应,和另外一种物质反应,并一个接一个地连接起来,我就被固定住了,从此脱胎换骨。


但是,我们在江湖上混了这么多年,名声在外,不要面子的啊,你们让我变,我就变啊。


首先,我不像有些分子,自家人不分你我,几个凑一块儿,就可以聚合成材;其次,我也不会轻易拉帮结派,跟另外的分子拜把子。


我吧,傲骄着呢。


唯独碰上这位大哥,我就怂了


不过,在自然界中,我还是服气一位大哥的。他是一种酶,叫做碳酸酐锌酶。


大哥的资历比你们人类老多了。据说,这种酶在地球早期有生命的时候就广泛存在了。他也是人类生命体中的一种重要的活性酶,能将空气中极少量的二氧化碳水合,变成碳酸氢根离子,是已知自然界中转化二氧化碳能力最强的物质。


大哥广泛存在于动物的组织中,对于调节酸碱性、维系生命都具有重要的作用。


大哥的能力比人造的催化剂大得多:比如就转化二氧化碳的效率来讲,至今人类制造的催化剂最快大概每秒转化43个分子;而大哥碳酸酐锌酶每秒钟能够转换100万个。


只要大哥出马,就能轻而易举地抓到我。我也只有在他手下,才会变得服服帖帖。


没想到,这个秘密被张兴宏看破了。他从中受到启发斯泰工业,找到了功能类似碳酸酐锌酶的分子。一顿胖揍后,我只能屈服,乖乖地参与聚合。


张兴宏找到好几种这样类型的分子,它们不包含任何金属,所以产生的材料也没有金属污染的问题。


经实验室“洗白”,变成高富帅潜力股


就这样,一顿“还你漂漂拳”后,我从混社会的废气,变成了人类可利用的高分子材料。


2克的废气,大概可以变成4克左右的固体材料。


我还可以变形成两种不同的高分子材料:一种是全透明的,结构中含有很多的硫,有很好的光学性质,因此在制造眼镜镜片、光纤等方面,有很大的应用潜力;


另一种材料是半透明的塑料。这种形态的塑料,和目前常见的材料聚乙烯有差不多的性能。因为聚乙烯在自然界中不容易降解,造成了“白色污染”,但是由我制造的这种塑料,相对易降解,是对环境友好的新塑料,很有可能在将来用来替代聚乙烯工业新闻等。


好像完全换了个人生。我打量着镜子里像水晶一样亮亮的自己,觉得还不错,谁叫现在是个看脸的时代呢?

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