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    化學工程專業之“三問”——訪中國工程院院士金涌

    發布時間: 2022-06-21 10:18:42   試劑信息網

    ?2022年高考剛剛結束,志愿填報成為考生和家長近期關注的焦點。今年全國高考報名人數達到1193萬人,再創歷史新高。作為現代工程學科之一,化學工程專業是什么?學什么?干什么?成為考生最想要了解的問題。帶著這三個問題,記者于6月15日專訪了化學工程領域權威專家——中國工程院院士、清華大學教授金涌。

    中國工程院院士、清華大學教授金涌


    一問

    化學工程專業是什么

    “要弄清楚化學工程專業的內涵,首先要了解化學工程的主要研究對象,也就是化學工業?!苯鹩吭菏勘硎?,化學工業非常重要,它的重要性體現它對現代社會的四個貢獻。


    第一個貢獻就是現代社會的衣食住行,都和化學工業密切相關。”金涌院士介紹說。首先,“穿的衣服”離不開化學工業。我國的耕地面積不足,不可能種那么多棉花,來滿足14億人的穿衣需求。所以我國成為世界上最大的合成纖維生產國,聚酯纖維的年產量占到世界的60%以上,每年可為全球每個人制作4套衣服。其次,生產“吃的糧食”也離不開化學工業。我國糧食年產量從新中國成立伊始的1億噸提高到2020年的六七億噸,增加了近七倍,依靠的是農用化學品,也就是合成氨制成的化肥、聚烯烴制成的農用地膜,以及各種殺蟲劑、生長促進劑等,是它們保證了我國的糧食安全。再次,“住的房子”消耗了大量的化工產品,新增建筑需求量最大的是水泥、鋼筋等,目前我國的水泥產量占全球總產量的65%,鋼鐵占全球的50%。當然還有內裝飾所用的塑料、涂料等,也大都來自化學工業。最后,“出行的車”也是石化用品消耗大戶,每年有六七億噸的石油煉制成為汽油、柴油、煤油和潤滑油等供給燃油車等使用,新能源汽車制造所需的鋰電池、燃料電池也來自化學工業。所以說,化學工業是支持現在人類社會生活的主力軍,是化學工業的進步和發展,讓人民大眾生活得更幸福、更美好。


    第二個貢獻是高端制造和先進制造的發展,需要化學工業的支撐。高端制造和先進制造的發展需要各種高性能材料,包括高強度、高耐熱、高耐寒、高耐磨、高密封、超導、超細、超含能、超結構和自組裝材料等,都需要化學工程技術進步打基礎。在國防軍工領域,沒有高強度材料,就沒有殲-20和轟-20的自主生產;沒有高耐熱材料,就沒有遼寧艦和山東艦的成功下水; 沒有高磁性材料,就沒有核聚變反應堆的能量釋放。在電子信息領域,沒有超高純度的硅材料,計算機工業會失去了根基;沒有石墨烯、碳納米管等納米材料,新能源產業也會迷失了方向。子午胎所需要的高密封材料,風電葉片所需的高強度碳纖維復合材料……這樣的例子不勝枚舉??梢哉f沒有先進的化工材料,就沒有這些高端制造和先進制造。


    化學工業的第三個貢獻就是為人類健康服務。讓屠呦呦獲得諾貝爾獎的青蒿素就是用化學方法,也就是超臨界萃取法提取出來的。青蒿素在過去50多年的時間里,在全球至少拯救了數百萬人的生命?;瘜W合成還可以制作很多常見的藥物,包括最常見也是最常用到的退燒藥等。簡單地說,制藥廠基本就是化工廠。還有一個例子是抗癌藥物紫杉醇,它最初是從植物的樹皮中提取的,產量極低,化學合成法發明后才提高了產量、效果也更好。


    第四個貢獻是化學工業使社會經濟實現永續發展。在100年、500年、1000年以后或者更遠的未來,地球上現有的礦產資源、化石能源將被開采完,人類生存所需的能源資源從哪來?這個問題需要化學工業來解答,因為物質是不滅的、資源是可以循環利用的?;瘜W家擅長“變戲法”,把使用過的塑料、鋼材等變廢為寶,重新變成新的材料再次投入使用。這是化學工業的強項。


    二問

    化學工程專業學什么

    “化學工程要解決三個層次的問題:物質的、能量的、信息的,進入化學工程專業主要的學習內容也是圍繞這三個問題展開的?!苯鹩吭菏刻峋V挈領地概括道。


    第一個層次是解決物質的問題,主要是指物質的傳遞和轉化。初高中化學課程的學習對化學有了基本的普及,化學反應的本質是舊的化學鍵斷裂,新的化學鍵生成;分子破裂成原子,原子重新排列組合生成新分子。所以化學工程專業首先要學習研究的對象是物質。


    物質傳遞,可以簡單地理解為提純,比如在半導體工業中,將工業硅提純得到的、雜質含量極少的高純硅,再進一步加工處理得到單晶硅和多晶硅,用在集成電路上;再比如在核工業中,鈾同位素235要與和它化學性質相同而質量非常接近的鈾238進行分離提純,才能作為核燃料。


    物質轉化就是將物質進行混合發生反應生成新的物質,比如氫氣和一氧化碳或者二氧化碳反應可以生成甲醇?;瘜W家就像是魔術師,物質在他們手中,可以反應合在一起,也可以再次分開,這也就是化學工程的奇妙之處。


    第二個層次是解決能量的問題,包括能量的傳遞和轉化。在化學反應發生過程中,也就是物質在傳遞和轉化過程中將產生大量的能量,也就引發了能量的傳遞和轉化問題。這兩個過程是密切相關、同時發生的,但反應速度不一樣,一個是線性的,一個是非線性。能量傳遞問題要解決的是能量的引入或者釋放,比如兩個氫原子和一個氧原子變成水的時候,要放出大量的熱,如果熱量轉移不出來就會發生爆炸。能量轉化的應用領域也很豐富,化學能可以轉化成電能,就形成了電池;電能也可以變成化學能,比如電解法生成燒堿。熱能和電能也可以相互轉換,太陽能電池板將熱能變成電能,電加熱棒又將電能變成熱能,給反應過程加熱。這就是化學工程專業第二個研究對象——能量的控制。


    第三個層次是解決信息的問題,包括信息的提取和優化。在化學反應過程中有大量需要控制的因素,比如反應器中的溫度、壓力,反應物和產品的濃度、黏度等,要知道這些參數有哪些,如何控制在合理范圍,要能讀取、會測量,還要進行優化。這些信息還要按照工藝的具體要求來實現,從而通過控制這些因素實現整個工藝流程的打通、整套工業裝置的開車和停車等。


    總之,化學工程學科教給學生的是物質、能量、信息的傳遞和轉化,也就是研究這三個密不可分的過程,掌握這些手段就可以做到游刃有余。


    三問

    化學工程專業干什么

    金涌院士表示,學習化學工程專業,畢業后的發展方向和選擇也很多。如果你的好奇心很強,想繼續研究世界的各種現象與規律,可以繼續扎根在基礎研究領域,攻讀碩士和博士研究生,最終成為化學家。因為化學工程相關的研究領域非常多,也和各個學科都可以發生“反應”,就像之前所說化學是非常奇妙的。進入研究生時期,你就會發現,化學和數學是一對搭檔,他們密切相關?;瘜W反應是非線性偶聯的、是混沌的、是學科交叉的、是大數據整合的,化學研究需要同數學家緊密合作,現代化學工程對計算技術的要求也是非常之高。


    “據我所知,美國最好的化工系之一——明尼蘇達大學化工系的主任就曾經是一名數學家,改行到了化工專業?!苯鹩吭菏课⑿χf,“化學工程專業早已經不是人們過去所認為的只在實驗室里擺弄瓶瓶罐罐,如今它和計算機科學、數學、物理和生物學都有非常緊密的聯系。當你下定決心從事基礎研究的時候,你所要面對的已經是價值上千萬元的原子電鏡等高精尖設備儀器,所要面向的是深冷、等離子態、超臨界等更為前沿的研究領域了?!?/span>


    “自然界的物質種類大概是10的8次方那么多,而人工可以合成的物質種類起碼達到10的30次方,甚至是10的200次方??晒┭芯康目臻g之廣闊,夸張一點說,化學工程是僅次于上帝的事業。上帝沒給我們的,它給了?!苯鹩吭菏空f。


    “如果不想繼續搞研究了,也可以選擇成為企業家,化學工程專業也可以滿足你?!苯鹩吭菏抠┵┒?,“你可以在多種行業里進行選擇,如石油化工、煤化工、天然氣化工、鹽化工、制藥、精細化工、日用化學品等,我國是化工大國,有非常大的選擇空間,化學工程專業的學生就業渠道廣闊,沒有失業之憂?!?/span>


    第200章厨房里征服美艳老师
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