一碳化學

一碳化學的研究對象是分子中只含一個碳原子的化合物，如一氧化碳、二氧化碳、甲烷、甲醇等。在以石油、天然氣為基本原料的化學工業里，甲烷是一碳化學的起點。在以煤炭為基本原料的化學工業里，一氧化碳s 一碳化學的出發點。一碳化學研究是從這兩種原料出發，生產其他化工原料和產品的方法。

基本介紹

• 中文名：一碳化學
• 外文名：C1 chemistry
• 簡稱：C1化學
• 釋義：反應物只含一個碳原子的反應
• 技術：醋酸合成、醋酐合成等
• 產品：乙二醇、烯烴、乙醇等

基本內容

化學反應過程中反應物只含一個碳原子的反應統稱為一碳化學。一碳化學的主要目的是節約煤炭和石油資源，用少的碳原料生成多的燃料，提供給人類。

一碳化學是一碳化工的重要基礎,是新一代煤化工和天然氣化工的最主要內容之一,其作用是利用煤來製備液體燃料以及相關化學品。把握一碳化學反應的關鍵是催化劑,如何開發催化性能優良的催化劑是一碳化學的核心內容。

一碳化學是從一碳氫化反應開始的。以含一個碳原子的化合物——甲烷(CH₄)、合成氣(CO和H₂)、CO₂ 、CH₃OH、HCHO等為初始反應物，反應合成一系列重要的化工原料和燃料的化學。其核心是選擇催化化學轉化、小分子的活化和定向轉化。CO、CO₂是從煤的氣化得到的、而CH4是天然氣的主要成分。因此一碳化工實際上就是一種新一代的煤化工和天然氣化工。其作用是解決石油利益短缺的問題，利用煤來製備液體燃料。此種涉及從一碳物質轉化成為烴類的反應，稱為FT合成。因此把握一碳化學的關鍵是催化劑，如何開發優良的催化劑左右著一碳化學的成敗。

一碳化學的基幹物質是CO和H₂，是從任何含碳資源都能夠容易得到的，這是一碳化學能夠處於未來化學產業的核心的最大理由。

技術套用

隨著我國生產水平的不斷提升,對於化工生產污染治理的問題也更加嚴重,一碳化學技術是一種追求清潔能源與綠色化工的同時達成的新型化學技術。迄今，已工業化的C1化學生產技術有：

醋酸合成

以甲醇、一氧化碳為原料，在銠－碘催化劑存在下，進行羰化反應，反應條件2.8MPa、175℃。以甲醇計,選擇性為99%；以一氧化碳計,選擇性為90%以上。

醋酐合成

美國田納西州的伊斯曼化學產品公司以銠系催化劑生產醋酐的方法是：

CH₃COOH+CH₃OH—→CH₃COOCH₃+H₂O

CH₃COOCH₃+CO—→(CH₃CO)₂O

哈康－科學研究公司開發的方法則是將醋酸甲酯與一氧化碳生成的醋酐，一半直接作為產品，而另一半與甲醇反應生成醋酸甲酯，即：

CH₃-COOCH₃+CO—→(CH₃CO) ₂O

2(CH₃CO₃)O+2CH₃OH—→2CH₃COOCH₃+H₂O

總的結果為：

2CH₃OH+2CO—→(CH₃CO) ₃O+H₂O

草酸合成

現已工業化的方法是日本宇部興產公司的工藝，其反應過程為：

2CO+2C₄H₉OH+ O₂—→(COOC₄H₉)₂+H₂O

上述反應以鈀為催化劑，在亞硝酸丁酯的存在下進行，反應溫度80～100℃，一氧化碳分壓5.0～7.0MPa，催化劑濃度50～100ppm，亞硝酸丁酯濃度10%，按丁醇計反應選擇性為90%～93%，按一氧化碳計選擇性為75%～80%。所得草酸丁酯經酸化後可得草酸及丁醇。後者可循環使用。

費托合成

用鐵系催化劑，由一氧化碳和氫氣合成液體燃料。此法在第二次世界大戰期間曾得到套用，戰後只在南非得到繼續發展。

莫比爾法

70年代莫比爾化學公司開發成功的C1化學新技術。它採用ZSM-5分子篩催化劑，在340℃、1.0～2.0MPa條件下使甲醇一步轉化為高辛烷值汽油。紐西蘭利用其豐富廉價的天然氣資源，已投資建設以天然氣為原料的大型甲醇合成工廠，和以莫比爾法合成汽油的工廠。此法生產每噸汽油需耗2.4t甲醇。

研究開發

近期可能工業化的產品有乙二醇、醋酸乙烯，在技術經濟上差距較大的產品有烯烴、乙醇和乙醛等。

乙二醇

開發的路線很多，其中以甲醇甲醛縮合法、乙二酸酯法及甲醛氫甲醯化法的結果較好。

醋酸乙烯

已經開發的路線為：

CH₃OH+CH₃COOH—→CH₃COOH₃+H₂O

2CH₃COOCH₃+2CO+H₂—→CH₂CH(COOCH₂)₂+CH₂COOH

CH₃CH(COOCH₃) ₂—→CH₃COOCH₃+CH₃COOH

反應過程中產生的醋酸可循環使用。此法有可能在近期內工業化。

烯烴

有由合成氣或由甲醇合成等不同路線。

乙醇

也有合成氣和甲醇兩種路線，前者有氣相法和液相法。

我國成就

當前C1化學的進展主要集中在合成氣化工和甲醇化工方面。我國C1化學化工經20多年的研究與開發，通過“七五”、“八五”、“九五”、“十五”攻關，取得了一批不同階段的試驗成果，湧現一批科研從事C1化學研究與開發的研究單位和人才，目前已有20多個單位從事C1化學的研究工作，為我國今後C1化學化工的發展奠定了一定的基礎。已取得的試驗成果有：

(1)合成氣製備工藝技術及催化劑；

(2)甲醇脫水或合成氣一步制二甲醚；

(3)甲醇脫氫制甲酸甲酯催化劑及工藝技術；

(4)甲醇脫水或合成氣一步制二甲醚；

(5)合成氣制烴類；

(6)合成碳酸二甲酯(DMC)；

(7)甲醇制烯烴；

(8)甲醇羰基合成醋酸；

(9)CO偶聯制草酸酯、草酸、乙二醇；

(10)合成氣制乙醇；

(11)含CO氣體中淨化提純CO的研究與開發；

(12)高濃度甲醛的合成技術研究；

(13)CO₂化工利用研究。

發展方向

一碳產品是石油的良好替代品,一碳化學與綠色化工的結合就是要實現經濟與環境協調發展.無論是從世界能源發展的戰略角度出發，還是著眼於環境保護、造福子孫的可持續發展，綠色化工與一碳化學的結合都有著重要的意義。隨著科技的不斷進步，一大批新穎、環境友好的技術已經出現在這個領域，在某些行業，甚至已經取代了傳統的工業方法。隨著時代的進步、科學的飛躍，未來的化工領域中，綠色的一碳化學一定會發揮出它巨大的潛力，更好地造福於人類。

下一代的一碳化學的發展方向和研究重心，主要集中於：由甲烷合成甲醇（甲醛）；由甲烷製造乙烯；CO₂的固定；甲醇、甲醛的多樣化展開；以及由此所引發的對新催化劑的探索。