无金属催化剂将氧硫化碳转化为固体材料——

工业废气“化身”高档树脂镜片

2018年06月25日09:09  来源:科技日报
 

工业废气,作为工业化进程中的排放物,一直对自然环境和人类身体健康造成较大影响。解决工业废气的排放问题,是多年来人类一直去研究探索的问题。

近日,工业废气的问题再一次被科学家所破解。通过一种特色的共聚反应,废气氧硫化碳变成了一种特别的固体材料,这种透明的材料未来可以被用来合成制造树脂眼镜片、光纤的原料。

这一新技术是由浙江大学高分子系张兴宏教授课题组所研发,相关研究成果在《自然·通讯》上发表。

在化学工作者眼中,氧硫化碳的回收和利用,对于我国这样的煤炭和石油消费大国,有着极大的社会与经济意义。

可恶的氧硫化碳

氧硫化碳是在燃煤、炼油和化工过程中产生的一种禁排的废气。之所以说它是废气,因为它对于自然环境和身体健康来说,一直都是百害而无一利。

氧硫化碳会严重腐蚀生产设备,当随着废气散逸到高空中时,还会产生二氧化硫导致酸雨。酸雨则会导致土地酸化,影响植物生长发育,对城市建筑腐蚀,导致人类疾病增加等。

另外,氧硫化碳还会被光氧化破坏臭氧层。

氧硫化碳除了在工业中产生,也经常出现在家庭内外。如下水道里的反水味道以及冰箱里坏掉食物的气息,就是氧硫化碳的味道。

一直以来,人类都是致力于对氧硫化碳等工业废气排放的处置,常见的方式莫过于减少排放,这一做法带来的是减少产能或者增加巨大的废气治理投入,如脱硫处理。

脱硫处理是当前比较主流的做法之一,但脱硫之后,这些脱除的含硫物质又该如何处理,依旧是摆在人类面前的一道难题。

变废为宝的神奇

研究高分子材料已有十几年时间的张兴宏就开始了思考和研究,他们的研究目标是寻找最为有效的专一催化体系,让气态的氧硫化碳固定下来。

经过了10年的研究,张兴宏成功将氧硫化碳回收利用为高分子材料。

在张兴宏课题组实验室里,记者看到,把氧硫化碳和环氧化合物——一种常见、廉价的化学原料——和催化剂共同置于高压釜中,两者就能聚合成为一种无毒、无色透明的新物质。

“这样得到的含硫高分子材料,重量的一半来源于氧硫化碳,回收利用效率高。”张兴宏介绍,聚合反应所得到的材料折光指数和阿贝数都较高,是理想的光学树脂。

折光指数和阿贝数是我们通常会在眼镜店里遇到的两个指标。同样的度数,折光指数高的镜片轻、薄,不会变成“啤酒瓶底”。阿贝数高的镜片能更准确地反映世界的色彩。

张兴宏表示,由含硫废气合成的光学树脂加工性能良好,可方便地制造镜片、光纤等,大有用武之地。

无金属催化剂劳苦功高

之所以能将氧硫化碳变成树脂眼镜的材料,核心是催化剂。

找到合适的催化剂是此类研究中的一个巨大挑战,张兴宏是幸运的,成功发现了这一催化剂。

“常温下,氧硫化碳不能自聚。我们在早期已经实现了氧硫化碳与环氧化合物共聚,将它有效地转变为材料。但我们采用的是金属催化剂,而人们最大的诉求就是材料中不能含有重金属。”张兴宏说。

张兴宏团队进一步开展对非金属催化剂的研究,将两种含氮的有机小分子组合起来,形成了简单、便宜、效果好的催化体系。

碳酸酐锌酶在地球早期有生命的时候就广泛存在了,它对于调节身体酸碱性、维系生命具有重要的作用。在自然界中,碳酸酐锌酶能抓到氧硫化碳,并把它转化为硫化氢。

张兴宏团队深入研究了碳酸酐锌酶为何能高效活化氧硫化碳的机制,借鉴其功能和结构,最终找到了一种非金属催化剂,成功将氧硫化碳转化为有用的材料。

这种新催化体系简单、便宜、效果好,特别是催化剂不含金属,使得到的含硫高分子展现出本来的无色透明品质。

“目前制备含硫高分子都用难以储运的剧毒光气和硫醇等为原料,我们提出的新方法为探索非光气路线带来了突破。”张兴宏表示,这项研究成果的产业化前景看好。(江耘)

(责编:时宝韫(实习生)、熊旭)

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