空心鈦硅分子篩的誕生創(chuàng)造了一種全新的理念，使整個催化氧化工藝發(fā)生了根本轉變，為我國烴類選擇性氧化實現(xiàn)跨越式進步提供了技術基礎和知識產權保障。
訪談人名片
林民，中國石化石油化工科學研究院教授級高級工程師，中國石化催化材料領域學術技術帶頭人。長期從事催化氧化新材料開發(fā)與應用研究，發(fā)明了空心鈦硅分子篩，以及多空心鈦硅分子篩氨肟化催化劑，解決了己內酰胺生產技術中環(huán)己酮氨肟化過程多項技術難題。空心鈦硅分子篩獲2010年度國家技術發(fā)明獎二等獎。林民獲國內外發(fā)明專利90件、中國石化技術發(fā)明一等獎2項、中國石化科技進步一等獎1項、中國發(fā)明專利優(yōu)秀獎1項，以及2012年中國工程院光華工程科技獎。
記者：林教授您好，非常感謝您能夠在百忙之中抽出時間接受我們的采訪?？招拟伖璺肿雍Y獲2010年度國家技術發(fā)明獎二等獎，我們想請您介紹一下，分子篩是一種什么樣的東西，究竟有哪些用途？
林民：簡單形象地說，分子篩是一種能篩分子的“篩子”。分子篩一般是無機的結晶體，化學組成通常有硅酸鹽和硅鋁酸鹽等。分子篩具有均勻的微孔結構，它的孔穴直徑大小均勻，孔徑的尺寸一般以億分之一厘米計，這些孔穴能把比其直徑小的分子吸附到孔腔的內部，并對極性分子和不飽和分子具有優(yōu)先吸附能力，因而能把極性程度不同、飽和程度不同、分子大小不同及沸點不同的分子分離開來，即具有“篩分”分子的作用。
分子篩又分為天然存在與人工合成兩種，工業(yè)應用中通常為人工合成分子篩。從上世紀60年代開始，分子篩就已成為石油煉制催化裂化的主要材料，并可廣泛應用于石油化工的多個領域。目前，分子篩作為催化劑的主要活性組分，對分子篩的創(chuàng)新性研究開發(fā)成為科技界尤其是催化領域關注的熱點。
我們日常生活中要用到大量的化學品，而化學品生產過程中大多要使用催化劑，開發(fā)利用適宜的催化劑可以通過提高反應速度和目標產品的收率，提升生產企業(yè)經濟效益。分子篩催化劑是以分子篩為催化活性組分或主要活性組分之一的催化劑，具有活性高、選擇性好、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，近幾十年來，在石油煉制和石油化工等領域應用日益廣泛。
記者：石科院當初研發(fā)空心鈦硅分子篩的背景是什么？
林民：氧化是生產多種含氧化學品的重要化工過程，具有附加值高，產品用途廣泛，市場需求眾多的特點，但傳統(tǒng)的氧化體系和氧化工藝過程，存在過程復雜、反應條件苛刻、對環(huán)境污染嚴重等缺陷，限制了含氧有機化合物的生產和應用。
早在上世紀80年代，意大利Enichem公司就已率先研制出鈦硅分子篩TS-1。TS-1分子篩的合成和作為有機物選擇性氧化催化劑的成功應用，被認為是80年代分子篩催化領域的一個里程碑。
同其他類型的催化體系相比較，采用TS-1分子篩作為催化劑進行氧化的體系條件溫和，可在常壓、低溫（20~100攝氏度）下進行；氧化目的產物收率高，選擇性好，工藝過程簡單。由于使用低濃度過氧化氫作為氧化劑，氧化源安全易得，還原產物為水，沒有將雜質引入反應體系，采用TS-1分子篩作為催化劑進行氧化的體系不會造成環(huán)境污染。
鈦硅分子篩本身性能不穩(wěn)定，導致它很難“走出實驗室”。也是由于這個原因，雖然世界上許多國家都在研究鈦硅分子篩，但真正能投入工業(yè)應用的鳳毛麟角。經常是在實驗室能成功的產品，一到工業(yè)放大就失敗。當時只有Enichem公司掌握TS-1分子篩的制備技術，能夠批量提供TS-1分子篩，實現(xiàn)了苯酚氧化制苯二酚工業(yè)化生產。
為了避開已有技術知識產權的制約，開發(fā)出自有技術，從上世紀80年代鈦硅分子篩出現(xiàn)時起，我們石科院開始進行鈦硅分子篩的基礎研究，并組建了一支由院士、教授級高工和技術人員構成的攻關團隊。
在大量試驗的基礎上，我們開發(fā)出鈦硅分子篩重排處理過程并成功地實現(xiàn)了鈦硅分子篩的晶內空心化，經驗證發(fā)現(xiàn)空心結構的鈦硅分子篩在性能上更穩(wěn)定，這一發(fā)現(xiàn)為鈦硅分子篩的工業(yè)應用奠定了基礎。
我們攻關組在舒興田和汪燮卿兩位院士帶領下，用近20年時間完成了實驗室探索、小試、中試放大、工業(yè)試驗和工業(yè)生產等過程，首創(chuàng)了世界上獨特的空心結構鈦硅分子篩，開發(fā)了全套工業(yè)生產技術，生產出具有自主知識產權、催化性能優(yōu)異、質量穩(wěn)定的產品。
記者：空心鈦硅分子篩應用于化工的氧化催化上有什么優(yōu)勢？
林民：鈦硅分子篩與通常由硅和鋁組成的分子篩不同，不具有明顯的酸性，而具有催化氧化活性中心，能顯著彌補現(xiàn)有傳統(tǒng)氧化過程工藝復雜、條件苛刻、選擇性差和污染嚴重等缺陷。空心結構則使反應分子更容易在分子篩內部移動，導致化學反應更易進行。這種空心鈦硅分子篩是我們研究團隊獨創(chuàng)的，獲得了中國、美國、歐洲和日本等多個國家的發(fā)明專利授權。
我們研究的雖然是一種催化材料，但是它的出現(xiàn)改變了催化氧化流程，可以說是創(chuàng)造了一種全新的理念。鈦硅分子篩催化材料的誕生不僅改變了氧化催化劑，而且使整個催化氧化工藝都發(fā)生了根本轉變，使用空心鈦硅分子篩作為催化氧化材料的工藝簡單，反應緩和，更能發(fā)揮原子的經濟性，提高原料利用率。
空心鈦硅分子篩作為一種催化氧化新材料，不僅產品本身具有創(chuàng)新意義，其合成方法也是獨創(chuàng)的，而整個試驗過程中更為重要的則是理念的創(chuàng)新。因為這一發(fā)明突破了現(xiàn)有鈦硅分子篩的局限，提出了空心結構的概念，形成了新產品并獲得專利權，不僅保護了合成制備分子篩的方法，而且將今后不管用何種方法合成制備的空心鈦硅分子篩都納入其專利保護范圍，為我國烴類選擇性氧化實現(xiàn)跨越式進步提供了技術基礎和知識產權保障。
烴類選擇性氧化是生產高附加值化學品的一個重要過程。由于傳統(tǒng)的氧化工藝十分復雜、條件苛刻、選擇性差、污染嚴重，所以開發(fā)清潔高效氧化新工藝勢在必行，而新工藝的核心則是催化材料。空心鈦硅分子篩的出現(xiàn)為改變烴類氧化歷程，帶來新的氧化工藝與理念，提供了技術支撐。
環(huán)己酮肟的制備技術是己內酰胺合成的核心工藝，如按照傳統(tǒng)的羥胺方法，要經過羥胺反應、肟化反應、氨氧化反應、銨分解反應等4個步驟，不僅生產流程長、工藝復雜、反應條件苛刻，而且設備投資高、污染嚴重?？招拟伖璺肿雍Y的出現(xiàn)，恰好為開發(fā)制備環(huán)己酮肟的全新技術帶來了契機，它既可以將環(huán)己酮一步合成環(huán)己酮肟，實現(xiàn)“原子經濟”反應過程，同時具備反應轉化率高、選擇性好、環(huán)境友好等優(yōu)勢。
記者：空心鈦硅分子篩具體有哪些創(chuàng)新之處呢？
林民：作為催化氧化的新材料，空心鈦硅分子篩取得了4個方面的創(chuàng)新:
，空心鈦硅分子篩。發(fā)明了重排技術，首創(chuàng)了世界上獨特的空心鈦硅分子篩。
第二，分子篩原粉催化劑制備。開發(fā)原位粘結、細顆粒去除和表面改性3 項技術。首創(chuàng)無須成型可直接用于催化氧化反應的納米/亞微米多空心鈦硅分子篩原粉催化劑，實現(xiàn)了跨越式技術進步。
第三，水解成核新工藝。開發(fā)了硅鈦酯匹配水解和脫醇成核兩項技術，解決了工業(yè)生產中硅酯和鈦酯匹配水解、晶核控制，以及成膠過程強放熱等工業(yè)放大難題，為重排工藝提供質量穩(wěn)定的鈦硅分子篩中間體。
第四，低排放低能耗制造技術。首次移植膜過濾和微波干燥技術用于分子篩生產，解決了納米/亞微米分子篩收率低易污染難干燥等工業(yè)難題。
此外，該產品和技術具有自由運作權，突破了國外知識產權壁壘，標志著我國擁有空心鈦硅分子篩及催化劑全套生產技術，并于2003年實現(xiàn)工業(yè)化，建成50噸/年生產裝置。
記者：有人評價空心鈦硅分子篩是綠色化學的典型代表，您怎么看？
林民：綠色化學的主要特點是要充分利用資源與能源，采用無毒、無害的原料；在無毒、無害的條件下進行反應，以減少廢物排放；提高原子的利用率，力圖使所有作為原料的原子都被產品所消納，實現(xiàn)“零排放”；生產出有利于環(huán)境保護、社區(qū)安全和人體健康的環(huán)境友好型產品。
己內酰胺研制初期，閔恩澤院士就倡導綠色化學，提出要從源頭做到環(huán)保。采用空心鈦硅分子篩作為催化劑，氧化過程中所使用的反應原料是過氧化氫，經氧化分離后排出的廢物是水，對環(huán)境幾乎零污染。這不僅使生產過程清潔友好，而且改變了現(xiàn)有的氧化過程，以前需要4到5步及高溫高壓條件，現(xiàn)在只常壓低溫即可，過程也簡化為一步，廢氣排量僅為引進國外技術HPO的3%，設備的投資費用大幅度降低。因此，說空心鈦硅分子篩這項技術是綠色化學的典型代表是比較貼切的。
記者：目前空心鈦硅分子篩在哪些領域得到了應用？
林民：空心鈦硅分子篩主要應用于己內酰胺裝置?？招拟伖璺肿雍Y工業(yè)產品不僅已用于多套10萬~20萬噸/年以上環(huán)己酮肟生產過程，而且用于1萬噸/年苯酚羥基化、醛酮肟化以及醇氧化等多個工業(yè)過程。
目前，在用和投產的裝置有巴陵石化20萬噸/年裝置，石家莊煉化10萬噸/年裝置，巴陵恒逸20萬噸/年裝置。準備建設的有福建項目（暫未定名）20萬噸/年裝置，巴陵茂名項目20萬噸/年裝置。空心鈦硅分子篩技術為中國石化湖南建長石化股份公司和巴陵石化等生產和應用企業(yè)創(chuàng)造了顯著的經濟效益和社會效益。
與中國石化長嶺分公司和湖南科技開發(fā)公司等單位合作開發(fā)的利用空心鈦硅分子篩催化丙烯環(huán)氧化生產環(huán)氧丙烷技術已完成了千噸級中試，目前正在建設10萬噸/年工業(yè)示范試驗裝置。
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