化工系学科建设和科研发展硕果累累

  清华大学化学工程系本着立足学科前沿、面向国家重大需求、努力实现基础研究与工业应用相结合、为国家经济发展和科技进步做贡献的科研理念,确立了以人才为核心,项目为纽带,基地为依托,促进人才、基地、项目有机结合、共同发展的科研模式。

  在过去的60年里,化工系完成了多项对我国国民经济发展和科技进步有重要影响的科研成果。上世纪60年代完成的萃取法核燃料后处理工艺和设备研究成果,为我国原子能工业的发展做出了历史性贡献;研制成功的有“塑料王”之称的聚四氟乙烯为我国氟塑料工业的发展奠定了基础。70年代成功地制备了聚碳酸酯工程塑料。80年代以后,在流态化反应工程、萃取工艺和设备、大型精馏设备、化工系统工程和溶液理论、高分子材料的制备与加工等方面取得多项重要成果并得到工业应用,其中以“聚碳酸酯—聚乙烯合金纬纱管”、“流化床反应器”、“高效萃取设备和工艺”、“高效精馏塔板”和“换热器网络的优化综合技术”等为代表的项目先后获得国家级奖励20余项,为我国石油化工和材料科学自主关键技术的发展提供了重要支撑。

  进入21世纪,化工系面向我国化学工业可持续发展的要求及其相关的资源、能源、材料和环境问题,秉承学科的发展与工业进步相互促进的理念,探索科学研究与产业进步的良性互动,积极开展高分子材料、微介观结构与界表面行为、多相反应和分离工程、生物催化与生物转化、光电信息材料与纳米材料等现代化学工程学科基本理论和关键技术的研究,推进其在新能源、材料制造、化学品生产、生物质资源转化、绿色化工过程、生态工业园区以及化工安全生产中的应用。高速湍动床反应器、碳纳米管大规模制备技术、高效萃取工艺和装备、渗透汽化和纳滤技术、生物柴油、生物法生产1,3丙二醇、微结构反应器、聚合反应加工和光电信息材料等20余项具有自主知识产权的新设备、新工艺、新技术相继完成成果鉴定,为新时期化工产业的发展做出了贡献。近5年先后获国家发明二等奖1项,国家科技进步二等奖1项,省部级奖20项;获授权发明专利163项,发表研究论文2681篇,SCI网络版收录726篇;新增国家级项目76项,其中“973”、“863”项目30余项,省部级项目61项,国际合作项目44项,承担企业科研项目195项,年均科研经费约3000万元。

  经过多年的努力,特别是在“211工程”及“985工程”的支持下,化工系已经拥有了化学工程国家重点实验室(清华大学)、绿色反应工程与工艺北京市重点实验室、国家环保总局生态工业重点联合实验室、中石化联合应用化学与化学工程研究所等研究机构。构建了:(1)材料性能、结构和形态等表征的为材料化工研究服务的分析测试平台,包括扫描电镜、透射电镜、原子力显微镜、激光光散射仪、液-质联用分析仪、流变仪、热分析仪;(2)含在线测量、过程集成、工艺优化和设备放大等功能的“过程与装备”的研究和推广平台,包括气固并流下行流化床反应器、循环浆态床反应器、发酵罐系统、大型塔器、膜制备装置、三维激光多谱勒测速仪(PDPA-FSA3500)、粒子成像速度仪等;(3)集分子模拟、计算流体力学、过程模拟和优化、过程仿真、生物信息学等功能的公共计算平台。

  随着化工系在科学研究中的不断进步,化工系在国内外的影响力不断上升,对外合作与交流日益频繁,初步形成了国际化、开放式的科学研究体系。现已与MIT等20余所国际知名大学建立了密切的交流与合作关系,并与国内外知名企业合作,开展前瞻性及工业化的研究工作,如与中石化成立了联合应用化学与化学工程研究所,与LG公司成立了清华-LG联合研究室,壳牌公司在清华大学设立了化学工程讲席教授团组基金。

  经过60年的努力、调整与发展,清华大学化工系已经成为在国内外有重要影响力的化工高等教育与研究基地,形成了以高分子材料、分离工程、反应工程、生物化工、系统工程与生态化工为主的五大研究方向:

高分子材料

  高分子材料是目前材料科学领域最活跃的研究领域。化工系高分子学科在高分子纳米材料和技术、光电信息功能高分子、高分子生物医用材料、环境友好高分子材料、复合材料、高性能高分子材料、高分子材料计算机模拟等方面开展了广泛深入的研究工作。

  在光电信息材料方面,建立了利用先驱聚合物的重氮偶合反应合成侧链偶氮聚合物的新方法,该类方法可方便地引入不同的偶氮生色团,控制其种类及含量。建立了利用聚丙烯酰氯酯化反应合成偶氮聚电解质和双亲性偶氮聚合物的合成方法。建立了利用重氮偶合反应合成超支化偶氮聚合物的新方法,此方法可通过在温和条件下一步反应,直接合成超支化偶氮聚合物。利用静电逐层自组装成功地制备了偶氮聚合物非线性光学膜。所得到的自组装膜无需电场极化即可具有较大的非线性光学系数。建立了利用有机溶剂或水-有机混合溶剂为介质制备偶氮聚电解质静电逐层自组装多层膜的新方法。

  聚合物复杂体系凝聚结构形成过程中的界面效应及其理论研究一直是高分子科学研究的重要前沿,把基板表面能的变化转化为聚合物薄膜组成结构图案的变化,通过微结构分子膜沉积印刷技术可以制得表面能变化的各种图案,从而可以诱导形成特殊相分离结构的聚合物共混物结构,在光电信息材料的构筑上有重要的应用前景。通过聚合物体系的反应加工,制备多单体接枝聚合物和高粘度聚合物材料,它可以将聚合物的制备与加工结合起来,实现高效、清洁和柔性的制备过程。

  高分子学科方向近年来承担了多项科技部“863”、“973”等高技术基础研究项目,国家自然科学基金委重点项目和面上项目,国家杰出青年基金项目,国家其他部委的科技项目和大量的国内、国际合作研究项目等。近5年来,获得北京市科技进步奖3项,国家授权发明专利30多项,在国内外学术刊物如J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、 Macromolecules、Langmuir、Polymer、高等学校化学学报、高分子学报等上发表了大量有重要影响的文章,其中被SCI收录的论文近300篇。

分离工程

  分离工程是化学工程学科的两大核心之一,它是节约能源、充分利用资源和控制环境污染的关键之一。专家预计,通过解决分离科学中的关键技术和装备,以及通过发展新分离介质等,在今后的20年内可实现化工过程的能耗、物耗下降30%,污染物的排放量减少30%。

  分离工程学科自复系以来就是化工系的重要方向,在近50年的发展历程中对化工教育和科学研究产生了重要的影响。“萃取法核燃料后处理工艺和设备”的研究为我国原子能工业的发展做出了历史性贡献;“高效萃取设备和工艺”和“高效精馏塔板”的研究为我国石油化工自主关键技术的发展提供了重要支持,在石油化工领域享有很高的声誉;“溶液理论”的基础研究为从分子水平定量分析平衡和传递特性提供了基础。近年来, “过程强化”和“膜材料与膜过程”的研究成为新的亮点。如发明的新型转盘萃取塔成功应用于中石化股份有限公司巴陵分公司的己内酰胺生产装置,传质效率平均提高了15~25%。再如渗透汽化膜制备技术解决了渗透汽化所要解决的核心和技术关键。其原创性在于所制备的膜的分离层是由含亲水基团的电介质聚合物构成,其中包括季胺烷基醚化阳离子聚乙烯醇(PVA)膜、磷酸酯化阴离子PVA膜、磺酸基取代阴离子PVA膜、羟甲基取代阴离子PVA膜等,统称为聚电解质膜;同时还将阳离子PVA分别与3种阴离子PVA复合,制备成聚电解质复合物膜。

  该学科方向在汪家鼎院士的指导下,从萃取、精馏等单元操作起步,发展到今天的分离剂分子设计和平衡特性、萃取分离设备与工艺、精馏设备和新方法、膜材料与膜技术、超临界流体技术、微结构化工系统等研究方向。目前有研究人员20余名,其中,中国科学院院士2人、杰出青年基金获得者1人、教授14人,每年招收博士生10余名、硕士生20余名,是在国内外分离科学领域具有重要影响力的研究队伍。1991年与兄弟院校共同建成了国内第一个化学工程联合国家重点实验室。在国家相关部门以及“211”、“985工程”的支持下,建立了组成和性能分析测试平台、分离设备和分离工艺研究平台,为高水平的基础研究提供了保障。该学科方向先后承担了国家自然科学基金“重大”、“重点”及“面上”项目、国家“八五”和“九五”重点科技攻关和“973”项目等一批国家级项目。研究成果先后获国家级奖励10余次,取得重大的经济和社会效益。

反应工程

  反应工程学科以多相流动、传递、反应过程研究为基础,基于绿色化工理念,面向国家重大需求,在石油化工、清洁能源、功能材料、催化工程、颗粒技术等领域,解决能源化工、材料化工中的重大工艺、工程及产品问题。针对我国能源化工及新材料制备过程,提出了一系列新型多相流反应器概念,包括气固并流下行流化床反应器、循环浆态床反应器、纳米聚团床反应器、多层构件湍动流化床反应器等,采用实验测量、理论建模和数值模拟相结合的方法研究多相流动、传递、反应过程和反应器设计与放大。

  在批量制备碳纳米管项目中,首先提出了基于纳米聚团流化原理的理念,即先通过纳米粉体的流体力学冷模研究,确定纳米粉体聚团流化的操作特征与操作域;设计特殊的纳米催化剂;在碳纳米管生长过程中实现纳米催化剂聚团向碳纳米管聚团过渡(转变);控制碳纳米管聚团的流化特征,在气固并流上升式纳米聚团流化床反应器中批量制备碳纳米管的原理。并通过系统研究,在国际上率先在直径200毫米的纳米聚团流化床反应器中实现了15kg/h碳纳米管批量制备技术。同时,还利用晶界钉扎的理念与超均匀瞬间沉淀技术进行催化剂设计;利用瞬态技术与高精度的电镜分析技术分析碳纳米管生长微观机制;并根据碳扩散与沉积的机理,在时间与空间尺度上进行变温控制,以调变碳的生成与扩散的动态平衡,提高催化剂的热稳定性与寿命;及利用热能耦合等过程强化技术提高碳纳米管的产量与纯度。同时,在后纯化过程中利用酸处理官能团化法、机械破碎法与高温热处理等手段去除碳纳米管产品的各种杂质含量与降低其缺陷程度。上述技术集成构成了高纯度碳纳米管的批量制备技术。

  构件循环浆态床一步法二甲醚合成技术采用独立开发的TP系列甲醇合成催化剂和TH系列甲醇脱水催化剂经改性和复合而成的多功能催化剂,用于浆态床一步法二甲醚合成过程具有很高的活性及选择性。采用新发明的构件循环浆态床反应器小试研究结果,与传统浆态鼓泡塔相比,CO单程转化率由气相两步法合成的10%左右提高到60%以上。循环浆态床二甲醚技术采用DEA(二乙醇胺)湿法脱碳为特色的反应产物分离工艺,居国际先进水平。

  重视工艺与工程相结合,还成功实现了下行床重油催化裂化、纳米碳酸钙合成、湍动流化床合成苯胺、丙烯腈、有机硅、甲烷部分氧化制乙炔、化肥和石蜡等熔融物造粒等技术的工程化。近5年来,已有50余台自主设计的反应器投入工业运行,创经济效益数十亿元,并获得国家科技进步二等奖2项,国家发明二等奖1项及10余项省部级一等奖和二等奖。
强调科学研究、人才培养、技术创新及产业化的有机结合。近5年发表SCI论文200余篇,发明专利40余项,培养了包括3名全国百篇优秀博士论文获得者在内的一大批优秀博士、硕士。现有教授6名、副教授6名、讲师1名,其中工程院院士1名、“长江学者”1名。

生物化工

  化工系生物化工学科始于1985年。以“继承+创新”为发展宗旨,基于“立足国内,面向世界”的发展思路,以突出化学工程与生命科学的交叉为特色,以培养学生从事生物工程领域的新工艺、新产品、新技术的基础和应用研究、生产和技术经济管理方面的工作为目标,经过多年的发展,形成了一支年轻有朝气的研究队伍,并建立了现代生物化工研究基地。目前的研究方向包括生物催化技术、动物和植物细胞培养工程、生物分离工程、环境生物工程、生物医药工程、基因工程、蛋白质定向进化和代谢工程等领域。

  目前,承担的课题包括国家自然科学基金项目、“973”项目、“863”项目、国家攻关项目、省部级项目及国内外企业的合作项目,科研成果发表在Nature、PNAS、Biophysical Journal、Journal of Chemical Physics、JBC、Biotechnology and Bioengineering、Applied and Microbial Biotechnology、Biochemical Engineering Journal、FEMS Microbiology Letters、Analytica Chimica Acta、Enzyme and Microbial Technology、Biotechnology Progress、Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic、Biotechnology Letters、 Process Biochemistry、Water Science and Technology等国际和国内高水平学术刊物上,近5年申请和授权的专利数超过80项,得到国内外同行的广泛认可。

  针对资源与能源问题,以生物法炼制生物柴油和大宗化学品1,3-丙二醇,立足于我国丰富的动植物油脂资源,开发酶法新工艺生产生物柴油,对保障我国石油安全、改善环境等都具有极其重要的意义。解决了反应物甲醇容易导致酶失活、副产物甘油影响酶反应活性及稳定性、酶的使用寿命太短等瓶颈问题。显著延长酶的使用寿命是实现生物酶法产业化生产生物柴油的关键;同时利用动植物油脂原料合成生物柴油的过程中,还会产生副产物甘油(最高可达10%)。进一步利用生物发酵法将副产物甘油转化为高附加值产品1,3-丙二醇可以显著提高生物柴油生产的经济效益。

  在可降解材料研究方面,研究以聚-β-羟基丁酸酯(PHB)为对象,以分子克隆和基因表达技术为工具,通过PHB合成基因(phbCAB)、λ噬菌体裂解基因(S-RRz)和透明颤菌血红蛋白基因(vgb)的同时引入,成功构建了同时具有高效溶氧利用能力、可控裂解破壁释放胞内产物能力、PHB高表达能力及廉价碳源代谢能力的多功能重组大肠杆菌,创新性地实现了PHB的高密度、高表达和低成本生产。同时,通过阻断蓝藻细胞内糖原的合成途径,使其高效表达PHB,为利用太阳能直接转化CO2合成PHB提出了新思路。最后,进行了PHB的应用开发,研制了10余种可生物降解的应用产品和组织工程用材料。

  本学科建有生物分子工程、酶的分子设计和分子改造、基因工程和代谢工程、生物分子的可视化追踪技术、细胞培养、生物反应器和药物控缓释制备等多个技术平台,为高水平的研究提供了有力的保证。

系统工程和生态化工

  系统工程和生态化工作为一门新兴学科,正日益受到科学界、工业界的广泛重视。1981年清华大学在国内率先开展化工系统工程的研究工作,专门从事化工系统工程的教学、科研和学生的培养。1996年成立的“过程系统工程研究所”是中国系统工程学会过程系统工程专业委员会的理事单位,是国际过程系统工程组织InternationaI Organization for Process Systems Engineering(简称IOPSE)的会员。

  过程系统工程学科的教学和科研工作包括化工过程的模拟和优化、人工智能的应用、动态仿真、数据校正、故障诊断技术、分子设计等。近年来,将过程系统工程的理论、思想和方法应用于化工安全这一新的研究领域,在过程危险与可操作分析、非正常工况管理、化工事故全时空仿真与应急决策等方面展开研究。在开展过程系统工程领域的研究工作中,特别注重国际交往,密切掌握本领域国际发展动向。

  2004年我国首次主办了第八届国际过程系统工程会议(8th International Conference on PSE),陈丙珍院士担任大会主席,会议取得圆满成功。20多年来,过程系统工程学科在教学、科研中取得了丰硕的成果,获国家级科技进步奖1项、省部级科技进步奖11项,为企业创造了巨大的经济效益;培养了博士生、博士后20多名,硕士生50多名,出版各种教材、编、译著作10余本。

  化工系从1999年开始在国内率先展开对生态工业和循环经济学科方向的探索,致力于开展工业生态化发展的理论研究和实践应用,推进我国生态工业和循环经济的发展和节约型社会的建设。目前生态工业研究中心已成为国家环保总局生态工业联合重点实验室成员,国际生态工业协会会员单位,AIChE可持续发展论坛会员,中国工业生态经济与技术专业委员会执行机构。近年来对生态工业和循环经济领域的理论进行探索,将过程系统工程的理论方法与工业生态学相结合,形成了生态工业系统工程研究领域;承担了国家攻关课题、国家自然科学基金重点项目、“十一五”规划研究、中国工程院咨询项目等数十项科研课题;编著出版了《生态工业:原理与应用》、《磷资源产业循环经济》等专著;在实践上开展了15个生态工业园区和循环经济试点规划及研究工作,其中6个已成为国家环保总局试点,7个列入国家发改委循环经济第一批试点。

  该学科研究人员积极参与国内外的学术交流,有关研究成果引起了国外同行的关注和重视,产生了积极的影响;近年来,为国内各类机构做生态工业和循环经济主题学术报告百余次;完成的工作对国家相关政策的制定、循环经济的推进产生了重要的影响。

2006年09月26日 10:55:17  清华新闻网

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