可再生資源催化技術(shù)

前言

　　進(jìn)入21世紀(jì)，現(xiàn)代社會的發(fā)展面臨著資源短缺、能源危機(jī)和環(huán)境惡化等嚴(yán)重問題?；Y源的顯著特點(diǎn)是不可再生性，并且儲量有限，化石資源短缺已經(jīng)成為全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸因素之一；煤、石油、天然氣等化石資源的過度消耗已經(jīng)導(dǎo)致了能源供應(yīng)短缺和價(jià)格上漲，阻礙了現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的發(fā)展；化石能源制品的消耗，帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染和溫室效應(yīng)，因此而給全球造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)每年600億美元。　　嚴(yán)重的資源、能源與環(huán)境危機(jī)引起全球關(guān)注，各國提出了相應(yīng)的發(fā)展戰(zhàn)略。美國總統(tǒng)布什在2006年1月31日發(fā)表的政府國情咨文中提到：美國必須像戒毒一樣戒掉“油癮”，依靠科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在2025年之前減少由中東進(jìn)口原油量的75%，并有效地減少環(huán)境污染，建立一種不依賴于原油的新的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式。瑞典--歐盟重要的石油消費(fèi)國更是提出了要在精神上和技術(shù)上做好充分的準(zhǔn)備，在2020年之前建立一個(gè)“無油的國家”。人類社會進(jìn)入了“后化石經(jīng)濟(jì)時(shí)代”，改變目前依賴于化石的高消耗、高污染的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，尋求化石資源的替代，建立低消耗、高附加值的可持續(xù)的循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，已經(jīng)成為全球社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重大戰(zhàn)略方向?！　≡谔柲艿尿?qū)動(dòng)下，生物提供了地球生態(tài)中最大量的可再生資源--生物質(zhì)，使得地球成為一個(gè)循環(huán)的可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)系統(tǒng)。全球每年光合作用產(chǎn)生的生物質(zhì)可達(dá)960億噸有機(jī)碳，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于全世界目前化石資源的年消耗量（每年消耗65億噸有機(jī)碳），同時(shí)還清除了CO2，放出大量O２。利用生物技術(shù)，利用地球生態(tài)中的可再生資源--生物質(zhì)，以其作為自身的物質(zhì)基礎(chǔ)，將可持續(xù)發(fā)展的工業(yè)融入地球大體系的物質(zhì)循環(huán)之中，融入到擴(kuò)大農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的生物量之中，實(shí)現(xiàn)在太陽能驅(qū)動(dòng)下的工業(yè)與農(nóng)業(yè)聯(lián)盟，構(gòu)筑人類文明的新形式--生物經(jīng)濟(jì)，這是新文明的基礎(chǔ)，而催化技術(shù)則是實(shí)現(xiàn)可再生生物質(zhì)資源有效利用的核心技術(shù)?！　≡陂_展生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化研究過程中，我們注意到在2007年德國Wiley出版集團(tuán)公司出版的這本“Catalysis for Renewables：From Feedstockto Energy Production”。近年來，生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化的研究工作在不同方面取得了大量的研究成果，此書則是論述在催化研討會的基礎(chǔ)上，利用可再生資源生產(chǎn)能源、燃料、材料和化學(xué)品過程中的催化技術(shù)，對催化劑、催化工藝以及設(shè)備等給予了全面的介紹，并且對可再生能源的市場以及技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了評價(jià)，為未來生物質(zhì)資源開發(fā)利用過程指明了重點(diǎn)研究方向。我們認(rèn)為，這本書將為我國生物質(zhì)資源高效利用的研究者提供非常寶貴的參考素材，推動(dòng)我國生物基能源、生物基材料以及生物基化學(xué)品的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。因此，于2009年在化學(xué)工業(yè)出版社編輯的建議和支持下著手翻譯這本專著?！　∧暇┐髮W(xué)的丁維平教授、薛念華博士，東南大學(xué)的肖睿教授，南京工業(yè)大學(xué)的胡燚副教授、張紅漫副教授、韓毓旺副教授、紀(jì)曉俊博士也參加了本書的文字翻譯和大量圖表的繪制工作?！　≡诒緯g過程中，雖然幾經(jīng)討論，數(shù)易其稿，但疏漏或錯(cuò)謬仍在所難免，敬請讀者批評指正?！　”緯姆g出版得到國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（“973”計(jì)劃）項(xiàng)目的資助（項(xiàng)目編號：2011CB710800），特此表示感謝！　　最后，謹(jǐn)向在本書翻譯過程中給予我們關(guān)心和幫助的領(lǐng)導(dǎo)和同行表示衷心感謝！　　黃和　　余定華　　2012年2月

內(nèi)容概要

　　《可再生資源催化技術(shù)：從資源到能源生產(chǎn)》共分為17章，內(nèi)容主要包括木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化、可再生資源轉(zhuǎn)化為生物產(chǎn)品的工藝選擇、生物基油脂化學(xué)品的工業(yè)開發(fā)和應(yīng)用、基于可再生資源的精細(xì)化學(xué)品、生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化為燃料的催化選擇、生物乙醇、甘油轉(zhuǎn)化制交通燃料、甘油的催化轉(zhuǎn)化、脂肪酸的選擇性環(huán)氧化催化工藝、可再生氫能、CO2捕集以及光催化制氫等。
　　本書可以作為高等學(xué)校生物工程、化學(xué)工程、精細(xì)化工、能源化工、產(chǎn)品工程等專業(yè)的研究生教學(xué)用書，也可供相關(guān)領(lǐng)域管理人員、技術(shù)人員參考使用。

作者簡介

作者：（意大利）森迪（Centi G.）,（荷蘭）桑騰（Santen R.A.） 譯者：黃和，余定華

書籍目錄

1 可再生資源催化技術(shù)--遠(yuǎn)景
1.1 引言
1.2 經(jīng)濟(jì)和社會背景
1.3 技術(shù)選擇
1.4 生物質(zhì)轉(zhuǎn)化的工藝選擇
1.5 小結(jié)
參考文獻(xiàn)
2 木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化：化學(xué)、工藝及經(jīng)濟(jì)性
2.1 概述
2.2 引言
2.2.1 可再生能源的需求
2.2.2 生物質(zhì)轉(zhuǎn)化的必要性
2.2.3 生物質(zhì)組成
2.2.4 燃料和化學(xué)品成分
2.2.5 生物質(zhì)脫氧
2.3 化學(xué)工藝
2.3.1 碳水化合物的關(guān)鍵反應(yīng)
2.3.2 熱裂解
2.3.2.1 化學(xué)原理
2.3.2.2 產(chǎn)品應(yīng)用
2.3.2.3 生產(chǎn)工藝
2.3.2.4 其他工藝研究進(jìn)展
2.3.3 氣化
2.3.3.1 化學(xué)原理
2.3.3.2 生產(chǎn)工藝
2.3.3.3 替代發(fā)展：制氫
2.3.4 水解
2.3.4.1 化學(xué)原理
2.3.4.2 糖衍生物
2.3.4.3 工藝
2.3.4.4 研究進(jìn)展
2.3.5 發(fā)酵
2.3.5.1 化學(xué)原理
2.3.5.2 工藝過程
2.3.5.3 最新進(jìn)展
2.4 經(jīng)濟(jì)性
2.4.1 方法學(xué)
2.4.2 燃料的生產(chǎn)
2.4.2.1 工廠成本
2.4.2.2 原料成本
2.4.2.3 生產(chǎn)成本
2.4.3 生產(chǎn)規(guī)模
2.4.4 化學(xué)品生產(chǎn)
2.5 總結(jié)和討論
參考文獻(xiàn)
3 可再生能源催化轉(zhuǎn)化為生物制品的工藝選擇
3.1 概述
3.2 引言
3.3 生物煉制的概念
3.4 生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成生物制品的策略
3.4.1 通過降解化合物實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化
3.4.2 通過平臺化合物實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化
3.4.2.1 主要平臺化合物的確認(rèn)
3.4.2.2 平臺化合物轉(zhuǎn)化為生物產(chǎn)品的實(shí)例
3.4.3 通過新合成路線實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化
3.4.3.1 一鍋反應(yīng)的級聯(lián)催化
3.4.3.2 一鍋反應(yīng)生成混合產(chǎn)物
3.5 小結(jié)
參考文獻(xiàn)
4 生物基油脂化學(xué)品的工業(yè)開發(fā)和應(yīng)用
4.1 概述
4.2 原材料現(xiàn)狀
4.3 生態(tài)兼容性
4.4 產(chǎn)品舉例
4.4.1 油脂化合物的聚合物應(yīng)用
4.4.1.1 基于二聚酸的二聚二醇
4.4.1.2 基于環(huán)氧化物的多元醇
4.4.2 用作潤滑劑可生物降解的脂肪酸酯
4.4.3 基于脂肪醇和脂肪酸的植物油衍生的表面活性劑及乳化劑
4.4.3.1 脂肪醇硫酸鹽（FAS）
4.4.3.2 酰基蛋白及氨基酸（蛋白?脂肪酸縮合物）
4.4.3.3 基于碳水化合物的表面活性劑--烷基多糖苷
4.4.3.4 烷基多糖苷羧酸
4.4.3.5 多元醇酯
4.4.3.6 用于皮膚和毛發(fā)的多功能護(hù)理添加劑
4.4.4 潤膚劑
4.4.4.1 二烷基碳酸鹽
4.4.4.2 Guerbet醇
4.5 展望
致謝
參考文獻(xiàn)
5 源于可再生資源的精細(xì)化學(xué)品
5.1 引言
5.2 香草醛
5.3 單萜
5.4 生物堿類
5.5 類固醇
5.6 對映立體選擇性的催化作用
5.7 青蒿素
5.8 達(dá)菲
5.9 小結(jié)
致謝
參考文獻(xiàn)
6 生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化為燃料的催化選擇
6.1 引言
6.2 生物質(zhì)作為原料制備能源
6.3 生物質(zhì)的組成
6.4 生物煉制
6.5 生物質(zhì)預(yù)處理
6.6 木質(zhì)纖維素的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化
6.7 生物質(zhì)氣化
6.7.1 干生物質(zhì)的氣化
6.7.2 裂解油的催化氣化
6.7.3 氣化過程化學(xué)和催化
6.7.4 熱壓縮水中的氣化
6.8 生物質(zhì)液化
6.8.1 非催化高溫裂解
6.8.2 催化高溫裂解
6.8.3 水熱液化
6.9 裂解油濃縮形成燃料
6.9.1 脫羧（DCO）
6.9.2 水合脫氫（HDO）
6.9.3 沸石上的裂解（FCC）
6.1 0水解
6.1 1催化劑設(shè)計(jì)的基本方法
6.1 2小結(jié)
參考文獻(xiàn)
7 生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)化技術(shù)
7.1 引言
7.2 生物質(zhì)資源及生物質(zhì)預(yù)處理
7.3 生物質(zhì)燃燒
7.4 生物質(zhì)氣化
7.5 生物質(zhì)熱解
7.6 通過生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)化生成燃料
7.7 小結(jié)
參考文獻(xiàn)
8 生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)化及其在爐排爐中NOx的排放
8.1 引言
8.2 可調(diào)二極管激光測量生物質(zhì)轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)
8.2.1 引言
8.2.2 可調(diào)二極管激光器的柵格型反應(yīng)器的實(shí)驗(yàn)
8.2.3 實(shí)驗(yàn)裝置
8.2.4 結(jié)果
8.3 熱轉(zhuǎn)化層傳播機(jī)理
8.3.1 引言
8.3.2 模型建立
8.3.3 試驗(yàn)
8.4 爐排爐的氣相計(jì)算流體力學(xué)（CFD）模型
8.4.1 引言
8.4.2 模型描述
8.4.3 數(shù)值模擬與驗(yàn)證中查表法的結(jié)構(gòu)
8.4.4 燃燒模型在二維爐排爐中的應(yīng)用
8.5 小結(jié)
致謝
參考文獻(xiàn)
9 生物乙醇：生產(chǎn)工藝及產(chǎn)品的升級與資源化利用
9.1 引言
9.2 生產(chǎn)工藝概述
9.3 用作生物燃料
9.3.1 生物乙醇作為燃料添加劑
9.3.1.1 汽油/生物乙醇混合燃料
9.3.1.2 柴油／生物乙醇混合燃料
9.3.2 生物乙醇和氫
9.3.3 生物乙醇用于燃料電池
9.4 生物乙醇改進(jìn)及資源化利用
9.4.1 轉(zhuǎn)化成燃料組分
9.4.2 轉(zhuǎn)化成化學(xué)品
9.5 小結(jié)
參考文獻(xiàn)
10 甘油轉(zhuǎn)化制交通燃料
10.1 引言
10.2 甘油
10.2.1 甘油的性質(zhì)、生產(chǎn)與應(yīng)用
10.2.2 來自生物柴油生產(chǎn)過程的甘油
10.3 甘油與異丁烯的醚化反應(yīng)
10.3.1 反應(yīng)機(jī)理
10.3.2 醚化催化劑
10.3.3 工藝條件
10.3.4 醚化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)
10.3.5 作為燃料組分的甘油醚
10.4 生物柴油工藝的改進(jìn)
10.4.1 醚化反應(yīng)與生物柴油過程聯(lián)用
10.4.2 多相生物柴油工藝
10.5 甘油重整
10.5.1 水相重整
10.5.2 水蒸氣重整
10.6 未來展望
參考文獻(xiàn)
11 甘油催化轉(zhuǎn)化
11.1 引言
11.2 甘油催化脫水及丙烯醛的生成
11.3 甘油催化脫水成醚
11.3.1 甘油低聚
11.3.2 甘油與烯烴反應(yīng)
11.4 甘油的催化氧化
11.4.1 電化學(xué)氧化
11.4.2 氣相催化氧化
11.4.3 Pt/Bi催化劑上的分子氧選擇性氧化甘油
11.4.4 Au基催化劑上分子氧的選擇性氧化作用
11.4.5 分子氧以外的選擇性氧化劑
11.5 甘油的催化氫解
11.5.1 甘油多相催化氫解
11.5.2 甘油均相催化氫解
11.6 甘油重整及制氫
11.7 其他氧化反應(yīng)
11.8 小結(jié)
致謝
參考文獻(xiàn)
12 脂肪酸選擇環(huán)氧化的催化過程：環(huán)境友好的路線
12.1 引言
12.2 非催化環(huán)氧化體系
12.3 均相催化體系
12.4 化學(xué)酶法環(huán)氧化體系
12.5 多相催化體系
12.6 鈦基催化劑上脂肪酸甲酯的環(huán)氧化反應(yīng)：在米蘭獲得的技術(shù)
12.6.1 純C18單不飽和脂肪酸甲酯的環(huán)氧化反應(yīng)
12.6.2 植物中得到的脂肪酸甲酯混合物的環(huán)氧化反應(yīng)
12.6.2.1 高油酸葵花籽、芫荽、蓖麻油的脂肪酸甲酯混合物
12.6.2.2 大豆油脂肪酸甲酯的混合物
12.7 小結(jié)
參考文獻(xiàn)
13 生物催化與化學(xué)催化的集成：協(xié)同過程中的級聯(lián)催化和多步轉(zhuǎn)化
13.1 概述
13.2 引言
13.2.1 人類化學(xué)
13.2.2 自然化學(xué)
13.2.3 生物?化學(xué)集成
13.3 級聯(lián)反應(yīng)的類型
13.3.1 生物?生物級聯(lián)
13.3.2 化學(xué)?化學(xué)級聯(lián)
13.3.3 生物?化學(xué)級聯(lián)
13.4 級聯(lián)技術(shù)
13.4.1 催化方法
13.4.2 反應(yīng)器設(shè)計(jì)
13.4.3 分區(qū)
13.4.4 介質(zhì)工程
13.4.5 細(xì)胞工廠的設(shè)計(jì)
13.5 小結(jié)
致謝
參考文獻(xiàn)
14 制氫和燃料電池--通向可持續(xù)能源體系的橋梁技術(shù)
14.1 引言
14.1.1 氫能鏈
14.1.2 氫氣來源和生產(chǎn)
14.1.3 氫氣在固定和移動(dòng)系統(tǒng)上的應(yīng)用
14.2 天然氣制氫
14.2.1 傳統(tǒng)制氫
14.2.1.1 天然氣制氫
14.2.1.2 其他原料生產(chǎn)氫氣
14.2.2 偶合CO2捕獲進(jìn)行制氫
14.3 CO2捕獲制氫新工藝
14.3.1 氫氣膜反應(yīng)器
14.3.2 吸附增強(qiáng)重整和水煤氣交換
14.4 小結(jié)和催化面臨的挑戰(zhàn)
14.4.1 電化學(xué)制氫與轉(zhuǎn)化
14.4.1.1 電化學(xué)氫氧過程動(dòng)力學(xué)
14.4.1.2 電解水制氫
14.4.1.3 質(zhì)子交換膜燃料電池
14.4.1.4 固態(tài)氧化物燃料電池（SOFCs）
參考文獻(xiàn)
15 清潔綠色氫能源之路
15.1 引言
15.2 能源可用性
15.3 氫能的生產(chǎn)和分配模式
15.4 氫燃料的成本
15.4.1 案例分析
15.4.2 結(jié)果
15.5 “清潔氫能”和CO2減排范圍
15.5.1 范圍
15.5.2 氫和汽油、柴油的對比
15.6 煤和生物質(zhì)
15.7 小結(jié)
致謝
參考文獻(xiàn)
16 太陽能光催化制氫和CO2轉(zhuǎn)化
16.1 引言
16.2 光催化過程
16.2.1 量子產(chǎn)率
16.2.2 催化劑相關(guān)的損失
16.2.2.1 載流體熱化
16.2.2.2 電荷分離
16.2.2.3 主動(dòng)電荷分離
16.2.2.4 被動(dòng)電荷分離
16.2.2.5 介導(dǎo)電荷分離
16.2.3 表面缺陷
16.3 光電化學(xué)電池
16.4 新材料
16.4.1 晶體結(jié)構(gòu)與活性
16.4.2 可見光敏化
16.5 小結(jié)
參考文獻(xiàn)
17 結(jié)論、展望與路線圖
17.1 引言
17.2 生物質(zhì)經(jīng)濟(jì)的驅(qū)動(dòng)力
17.3 與催化相關(guān)聯(lián)的生物能源和生物燃料的主要問題與展望
17.3.1 生物燃料
17.3.1.1 第一代生物燃料
17.3.1.2 第二代生物燃料
17.3.2 生物煉制
17.3.3 利用生物質(zhì)轉(zhuǎn)化的副產(chǎn)物
17.3.4 生物質(zhì)作為化學(xué)生產(chǎn)的原料
17.3.5 太陽能的利用
17.4 小結(jié)
參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：   插圖：   1．1 引言 在經(jīng)濟(jì)相對發(fā)達(dá)的社會，人類文明需要可持續(xù)利用地球資源和生物圈的看法已經(jīng)達(dá)成共識，這也使得利用可再生資源成為必然選擇。然而，幾個(gè)經(jīng)濟(jì)學(xué)家（Jaccard(1)，Smil(4)，Lomborg(5)）認(rèn)為引入或轉(zhuǎn)變到可再生資源也將帶來經(jīng)濟(jì)和環(huán)境方面的成本，這些成本有時(shí)會使得表面上似乎最優(yōu)選擇的原料或技術(shù)變得無競爭力。 在荷蘭Rolduc舉行的Idecat會議“可再生資源催化”上組織了不同領(lǐng)域?qū)＜覍稍偕Y源利用中的不同技術(shù)和相關(guān)催化進(jìn)展或挑戰(zhàn)進(jìn)行了討論，本書是基于這次會議的報(bào)告編寫而成的。盡管本次會議的主要內(nèi)容集中在生物質(zhì)相關(guān)催化技術(shù)，但化石燃料技術(shù)和太陽能以及生物轉(zhuǎn)化途徑也包括在其中。 本書提出了生物質(zhì)利用的技術(shù)對比以及技術(shù)集成的一種觀點(diǎn)。 本章首先對化石燃料或技術(shù)的替代技術(shù)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性和社會背景的簡短討論，使得資源的利用具有環(huán)境可持續(xù)性。 其次，對比了利用不同一次能源和二次能源的技術(shù)，最后，提出了生物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中不同工藝選擇的總結(jié)。 1．2 經(jīng)濟(jì)和社會背景 在燃料使用中以化學(xué)計(jì)量比排放的CO2和化石資源的日益枯竭是目前兩個(gè)主要社會問題。 一般認(rèn)為大量額外的CO2排放到大氣中造成了溫室氣候效應(yīng)。 在20世紀(jì)化石資源引起的排放已經(jīng)超過了以指數(shù)增長的速度，這已經(jīng)成為共識。雖然在1925年全球因化石資源引起的CO2累計(jì)排放是10億噸，但是到2000年這一數(shù)值已達(dá)到60億噸(1)。較大的排放速率將影響氣候，而且這種速率還在持續(xù)增加。 圖1．1給出了全球氣溫的預(yù)測趨勢(2)。 有趣的是，該曲線表明如果沒有人類活動(dòng)影響氣候的話，當(dāng)上一個(gè)冰川期結(jié)束時(shí)溫度有所增加并且預(yù)測溫度達(dá)到極大值。地球物理效應(yīng)、行星運(yùn)動(dòng)和太陽演變使得該溫度極大值在9000年前應(yīng)該出現(xiàn)。然而，人類活動(dòng)使溫度極大值發(fā)生了偏移。最初由于森林砍伐和其他農(nóng)業(yè)活動(dòng)產(chǎn)生的CO2排放增加導(dǎo)致了溫度極大值的延遲。圖1．1中的曲線顯示一旦化石燃料不再可以利用時(shí)，地球溫度將會達(dá)到極大值。

編輯推薦

《可再生資源催化技術(shù):從資源到能源生產(chǎn)》是IDECAT開發(fā)一致的活動(dòng)框架，通過催化創(chuàng)造生物基和可持續(xù)社會邁出的第一步，同時(shí)，《可再生資源催化技術(shù):從資源到能源生產(chǎn)》也是對研究現(xiàn)狀進(jìn)行的實(shí)時(shí)評述，明確了R&D的新方向、新機(jī)會和新需要。

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