一步法制环氧氯丙烷绿色生产技术的创新之路

环氧氯丙烷是一种重要的有机合成原料与有机化工中间体，在航天、航空、电子、通信等众多领域有广泛的用途。但传统的环氧氯丙烷生产工艺“氯醇法”有安全性低、废水量大、能耗高、废渣量大等不足，因此急需开发一种更加绿色环保的环氧氯丙烷生产工艺。

经过多年潜心研究，中国科学院理化技术研究所研究员张振涛团队形成了“氯丙烯一步法制环氧氯丙烷绿色生产技术与装备”成果，创新了环氧氯丙烷的生产工艺，有望给产业带来重大变革。

不久前，张振涛团队获得了中科智汇工场承办的“CAS概念验证计划”种子基金的支持。目前，该成果已完成了小试，正寻找相关企业合作开展项目中试和推广。

传统工艺急需变革

环氧氯丙烷是一种用途广泛的基本有机化工原料，是合成甘油的中间体，也是合成环氧树脂、氯醇橡胶等产品的主要原料。它可用于制造玻璃钢、胶粘剂、阳离子交换树脂、电绝缘制品，也可用于溶剂、增塑剂、稳定剂、表面活性剂和医药等行业，还可用于制造各种具有特殊功能的合成树脂。

张振涛介绍，目前生产环氧氯丙烷的工业方法主要有三种，分别为氯醇法、醋酸烯丙酯-烯丙醇法、甘油法。其中，烯丙醇法由于工艺流程长、投资费用和成本相对较高等原因已经停用；国内74%左右的工艺采用氯醇法，国外氯醇法工艺也占到了94%。

在生产实践中，利用氯醇法生产环氧氯丙烷，主要是通过丙烯高温氯化制氯丙烯，再利用氯丙烯和次氯酸化合生成二氯丙醇，并利用二氯丙醇进一步皂化，从而制取环氧氯丙烷。在这个过程中，需要加入大量的水，消耗大量的能源。

“氯醇法与甘油法都存在高盐废水的严重环保问题。”张振涛介绍，氯醇法以剧毒氯气为原料，安全性低；生产每吨环氧氯丙烷约产生50吨含氯废水，废水量大；氯气泄漏引起的火灾爆炸事故频发，含氯废水造成极大的环境污染，给我国社会经济带来了巨大挑战。

此外，为了抑制活泼氯气产生副产物，需要加入大量水稀释，造成高能耗。生产每吨环氧氯丙烷，还会产生约2吨含氯废渣，废渣量大给企业带来后期处理难题。

“事实上，废水量大、能耗高、反应得率低等，已经成为传统环氧氯丙烷生产的共同瓶颈，美、德、日、中等各国科学家都在积极研发环氧氯丙烷绿色生产工艺，希望从源头上满足清洁性和低能耗的需求。”张振涛说。

张振涛在办公室。郑金武摄

以产业思维解决现实问题

近年来，我国提出“全面加强生态环境保护，打好污染防治攻坚战”，“制定环境治理解决方案，增强企业绿色发展能力”。从产业发布来看，我国环氧氯丙烷生产企业主要分布在氯碱主产区，如山东和江苏等地，其中山东产业规模占52.88%。各地产业升级和“美丽中国”建设要求，也呼吁加速变革传统氯醇法生产工艺。

1990年，张振涛从西安交通大学毕业，此后进入青岛氧气厂、海信等企业工作，在制冷等化工行业积累了长期的经验。2009年，张振涛进入中科院理化所开展博士后研究工作，之后留所工作。

丰富的企业工作经历，使张振涛更多地以产业思维解决现实问题，并不断把自己的研究聚焦到产业共性问题的攻关上。

早在2015年前后，针对中石化相关企业的“环氧丙烷/甲醇精制”项目，张振涛团队为其的工艺流程进行了优化开发。

“在环氧丙烷/甲醇精制项目中，需要添加肼水除醛，且在高温下容易产生甲缩醛，存在重大安全生产风险。”张振涛介绍，“我们帮助企业进行工艺流程优化，摒弃了肼水除醛步骤，还抑制了甲缩醛的产生。”

正是基于这一“环氧丙烷/甲醇精制”产业化项目的基础，瞄准环氧氯丙烷行业的“痛点”，张振涛带领团队开发了“氯丙烯一步法制环氧氯丙烷绿色生产技术与装备”。

“在这个项目中，我们建立了高效反应床，使氯丙烯一步就能够制取环氧氯丙烷。相对于传统的三步反应工艺，一步法流程短、节能效果好、得率高，且能显著降低废水排放。”张振涛表示，与传统氯醇法相比，一步法的废水排放减少为原来的2%，废渣排放接近零，且能耗降低了25%左右。

张振涛介绍，团队已经为一步法制环氧氯丙烷技术开发了完整的“工艺包”和产业推广的关键装备，并已在中科院理化所廊坊基地完成了小试生产。期待有企业合作开展中试和5000吨示范装置开发。

科研人员在实验中。理化所供图

“概念验证”助力成果转化

2020年，张振涛团队的“氯丙烯一步法制环氧氯丙烷绿色生产技术与装备”项目，参加了中科智汇工场联合中科院相关研究所承办的“概念验证创新大赛”，并以优异的成绩获得了“CAS概念验证计划”种子基金的支持。

为推动具有市场潜力的基础研究从实验室走向市场应用，减少基础研究成果转化的风险和不确定性，中科院科技创新发展中心与北京市海淀区政府联合打造了“CAS 概念验证中心”，并实施“CAS概念验证计划”，以挖掘和释放中科院科研院所的研发优势，让科研成果走出高墙大院。

科技成果转化过程，会面临“达尔文死海”“最后一公里”等问题，但成果转化走好“第一公里”也同样重要。“CAS概念验证计划”就是为了给科研人员在科研前端提供指导，减少研究成果转化的不确定性。

中科智汇工场总经理柳海永介绍，“CAS 概念验证计划”是全新的组织模式，将通过提供种子资金、商业顾问、创业教育、产业资源对接、投融资服务、孵化空间等概念验证活动，对早期项目进行筛选和扶持，支持和培育一批早期项目从实验室走向市场。

“我们研究所的产业策划部积极推介了我们的项目。”张振涛表示，在“概念验证计划”种子基金的支持下，研究团队进一步深入研究，使一步法制环氧氯丙烷的“工艺包”更加合理，技术也更加成熟完善。“前期工作越细，后期中试和产业化就会走得更顺利。”

在中科智汇工场的支持下，团队已经与相关意向企业、投资机构等进行了多次对接。

基础研究和产业化并行不悖

目前，张振涛带领的30多人的团队中，凝聚了林民、杨俊玲、张化福等一批骨干科研人员，并覆盖了多个学科领域，形成了良性发展的人次梯次。

在张振涛看来，发展绿色化工技术，对众多关系国计民生的行业具有重要的战略意义。针对产业需求的高技术研究，也是重大科学问题的重要来源。

“事实上，基于一步法制环氧氯丙烷项目，我们也争取到了相关计划经费的支持。”在张振涛看来，“高技术产业化和基础研究形成了一个闭环，并行不悖。”

对于研究团队来说，要“有所为有所不为”。“做基础研究，论文产出只是一个方面，更多还是要瞄准产业痛点，技术研究要精益求精，要考虑后续发展和落地。但更多的中试、产业化推广等工作，需要寻找有能力、有意愿的企业一起合作。”张振涛说。

但在合作过程中，企业往往希望在最短的时间内获得收益和利润。在多年的产业化合作中，张振涛也多次遇到与企业合作，结果最终企业签了协议却不支付合作费用的情况。

“研究必须要为生产实践服务，为国计民生服务。”张振涛说，“但科研人员做产业化也经常会面临难题，如果规避这些难题，也需要更好的机制和支持。”