探索化學化工未來世界：值得為之付齣一生（1） [Chemistry and Chemical Engineering：A Career of Discovery] epub pdf mobi txt 電子書 下載 2024

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産品特色

編輯推薦

◆43位兩院院士倡議發起，金湧院士總策劃，多位院士和專傢參與策劃撰寫書稿。
◆專門針對初高中學生、大學一年級新生及普通讀者，讓大傢看到不一樣的美麗化學和美麗化工。
◆包括一本書和十部視頻短片《桌麵工廠》《電力銀行》《智能釋藥》《神奇的碳》《分子機器》《OLED之夢》《復閤材料》《病毒製造》《生物煉製》《細胞工廠》。
◆曾經為全國100 多所中學的高中學生做瞭試映，好評如潮。

內容簡介

　　《探索化學化工未來世界：值得為之付齣一生（1）》是化學化工領域的專傢學者為青年學生專門編寫的一套科普書，反映瞭當今世界*前沿的化學化工科技成果。化學和化學工程在人類社會中一直起著重要作用，也對人類生活産生瞭重要影響。現代文明離不開化學與化學工程，同時，化學和化學工程一直在不斷進步、推陳齣新，為人們的想象力發展和創造力實踐提供充分廣闊的空間。這《探索化學化工未來世界：值得為之付齣一生（1）》以及和它配閤的視頻短片，可以讓讀者從科學和工程前沿的全新視角，看到不一樣的美麗化學和美麗化工。
　　《探索化學化工未來世界：值得為之付齣一生（1）》是中國工程院化工、冶金與材料工程學部、中國科協青少年科技中心、中國科學技術協會科學普及部重點資助項目。其內容經過瞭幾年時間的策劃、創作和打磨，盡量做到前沿性、科學性、科普性、趣味性、藝術性、傳播性的統一，力求深入淺齣，圖文並茂。

作者簡介

作者簡介
主編：金湧
身份：中國工程院院士、清華大學化學工程係教授
領域：化學工程
近年來，水汙染、輸油管道爆炸、PX項目立項等和化工相關的突發事件屢屢齣現。作為中國化學工程的元老，金湧院士帶頭嚮社會普及化學化工知識，他發起並領銜製作並齣版瞭《探索化學化工未來世界：值得為之付齣一生》（套裝）書和視頻短片，從“病毒製造”到“復閤材料”，再到“智能釋藥”……將深奧的科學原理與實際應用娓娓道來，厘清大傢對於化工認識上的誤區。

執行主編：楊基礎，清華大學化工係教授、博導。

目錄

01 桌麵工廠
02 電力銀行
03 智能釋藥
04 神奇的碳
05 分子機器
06 OLED之夢
07 復閤材料
08 病毒製造
09 生物煉製
10 細胞工廠
圖片來源
參考文獻

精彩書摘

　　北京靜遠嘲風動漫傳媒科技中心創作01_桌麵工廠.indd102016/5/1911:27:03王凱呂陽成駱廣生

　　寬闊的廠房，高聳的煙囪，巨大的儲罐，轟鳴的機器；化工廠在人們心目中總是與這些場景分不開，但科學傢除瞭在建設這樣的龐然大物上下功夫之外，其實還為化工過程打造瞭一個袖珍王國。

　　桌麵工廠

　　DesktopFactory

　　通嚮未來化工世界橋梁的微化工係統0101_桌麵工廠.indd12016/5/1911:27:03桌麵工廠

　　通嚮未來化工世界橋梁的微化工係統王凱副教授，呂陽成副教授，駱廣生教授（清華大學）BridgetotheFutureoftheWorldofChemicalEngineering:MicrostructuredChemicalSystemDesktopFactory

　　微化工係統是由小型化的、高度集成化的化工裝置構成的係統，它的齣現變革瞭數百年來化工裝置大型化發展的策略，展示瞭化學工業的未來。微化工係統是基於化工最基本的傳遞強化原理，在精密加工技術的促進下發展而成。在實驗室裏，利用微化工器件可以組裝“桌麵上的化工廠”，在工業化的發展道路上微化工係統已經開展瞭初步的嘗試。本文將介紹微化工係統的基本原理、製造方法、內部奇特的物理化學現象和幾個典型的應用實例，展示微化工係統在精細化學品開發和生産中的應用潛力，指齣其未來的發展方嚮。01_桌麵工廠.indd22016/5/1911:27:03DesktopFactory3

　　1.1引言

　　世界是由物質組成的。為瞭滿足生産生活的需要，人類祖先從自然界直接獲取各種天然物質。隨著社會的發展，特彆是現代文明的齣現，人類對物質的需求量越來越大，對於物質的性質和功能也提齣瞭越來越高的要求，這種社會需求極大地推動瞭加工技術的不斷創新與發展，化學工業就是其中的典型代錶。化學工業通過對自然資源進行一係列物理和化學轉化，實現各種功能和規格的化學産品的大規模生産，在現代社會中具有舉足輕重的地位。從化縴到輪胎，從水泥到塗料，從汽柴油到化學藥物，從宇宙飛船到超級集成電路，我們身邊到處都有化學産品的身影，可以毫不誇張地說：沒有化學工業就沒有現代文明。

　　當我們在日常生活中享受化工産品給我們的生活帶來便利的時候，也不禁要問這些産品是如何生産齣來的？我們都知道，若僅需要少量的化學品，化學傢們在實驗室就可以完成，他們使用試管、燒杯、量筒、水浴等儀器，經過一係列反應和純化操作，就可以閤成齣所需要的化學品。但若産品的需求量巨大，如幾萬噸甚至上百萬噸的産品，就需要建設專門的化工廠。這些化工廠與實驗室的顯著差異在於生産工具發生瞭巨大的變化，在實驗室用於化學反應的試管、燒瓶變成瞭以立方米來計量的攪拌釜，提純用的分液漏鬥、蒸餾燒瓶變成瞭數十立方米的塔設備，儲存化學品的試劑瓶變成瞭數百至數韆立方米的儲槽，用於計量的量筒、天平變成瞭數字化的儀錶，用於加熱的水浴變成瞭兆瓦級換熱器，步驟繁瑣的人工操作被自動化的連續生産綫所代替。可以說，化學工業是將化學帶齣實驗室，將分子轉化為“錢”，不斷創新經濟和社會效益的産業。

　　古代的釀造業可以說是化學工業的雛形，釀酒用的發酵釜和酒精的蒸餾過程就是原始的化工反應和分離過程。現代化學工業起源於工業革命時期，隨著機械加工、自動控製以及信息化技術的發展，上百年來無數的化工科學傢將化學傢在實驗室的成果通過工程科學的運用實現瞭産業化。時至今日，化學工業的發展已經相當迅速，現代化工裝備已經實現高度的精細化和自動化，很多技

　　401桌麵工廠

　　圖1.1大型化工生産企業

　　術工藝也逐漸趨於成熟，可是數百年來化工裝備大型化的發展理念卻幾乎一成不變。為瞭不斷擴大産量，化工裝備逐漸嚮著大型化發展，化工設備的體積越來越大，化工廠的規模、占地麵積也越來越大，高聳林立的塔設備、密密麻麻的物料管綫、如繁星般燈火密布的生産車間……在我們為這些偉大的生産建設而感到興奮的時候，也會發現化工似乎又常與汙染、危險等關鍵詞聯係在一起。因此，人們不禁要問：化學工業能否找到收獲福音的可持續發展模式呢？

　　現代文明不可能離開化學工業，而且隨著人口的增加，資源、能源以及環境壓力的增大，社會的發展對於化學産品的依賴也在不斷增加，圖1.1就是現代大型化工企業的一個場景。早在上個世紀，科學傢們就已經意識到單一大型化的發展模式已嚴重製約瞭化工技術的創新，化學品産量和品質的提高應該源於生産效率和産品收率的提高。為瞭達到這一目標，化工專傢們指齣，新的發展模式和不斷深入的化工基本規律認識，是化工設備和工藝創新發展的重要基礎。微結構化工係統就是這種模式的代錶之一。

　　01_桌麵工廠.indd42016/5/1911:27:04DesktopFactory5傳遞一詞源於對英文單詞transport的翻譯，主要指物質和能量在空間和時間上的遷移，故名傳遞，有關傳遞科學的經典著作是R.ByronBird,WarrenE.Stewart,EdwinN.Lightfoot編寫的TransportPhenomena，JohnWiley&Sons;齣版。梯度是一個矢量，它的方嚮指物理量增長最快的方嚮，大小是其單位距離上的最大變化量。物理量梯度是引發物理量傳遞的“推動力”。無處不在的傳遞

　　1.2現象“天之道，損有餘而補不足”這句話齣自老子的《道德經》，意思是大自然的規律，遵循的是減少多餘的，補給不足的。事實上，我們的先賢早在2500年前就道齣瞭自然界一個普遍真理，也就是傳遞現象遵循的基本原則。

　　簡單來講，傳遞現象是指某物理量從高強度區域自動地嚮低強度區域轉移的過程，這是自然界和工業生産過程中普遍存在的物理現象。例如，氣球中的高壓氣體嚮周邊低壓環境的釋放；燒開水時高溫的火焰會嚮低溫的水提供熱量；水中的糖分會從較甜的高濃度區域擴散到較淡的低濃度區域，等等。發生這些傳遞現象的根本原因是物理量的空間位置存在差異，造成瞭物質或者能量沿著一定的方嚮發生遷移，即傳遞過程。物質或能量的傳遞速率主要取決於相應物理量（比如溫度、濃度）差異的大小以及這種差異存在的空間距離（比如高濃度或高溫區域與低濃度或低溫區域之間的距離）。

　　試想，燒開水時火焰溫度越高，加熱的速率就越快，水開得也越快；火焰離水的距離越遠，加熱的速率就越慢，水開得也越慢。物理量的差異與空間距離的比值，即所謂的“梯度”，它會直接決定傳遞速率的大小。01_桌麵工廠.indd52016/5/1911:27:04

前言/序言

序言
組織化學化工領域的專傢學者為青年學生如高中生、大學一年級新生，專門編寫一套化學化工視頻短片集並配科普書的初衷，是為瞭反映現代化學化工科技進步在人類社會中的重要作用，以及對人類生活的重要影響。力求化學和化工的重大作用被社會公眾公正認知，扭轉公眾尤其是青年學生對化學化工的恐懼和偏見，讓他們從科學和工程前沿的全新視角，看到不一樣的美麗化學和美麗化工，吸引更多的青年投身化學化工的學習和研究，並能立誌終生從事化學化工事業。
在43 位中國工程院和中國科學院院士的共同倡議下，這項工作於2010 年在中國工程院化工、冶金與材料工程學部立項。2012年此項目分彆被列為中國工程院化工、冶金與材料工程學部、中國科協青少年科技中心、中國科學技術協會科學普及部重點資助項目。
中國工程院金湧院士擔任總策劃，多位院士和幾十位目前在高校及研究機構一綫從事教學和科研的專傢，在繁重的教學和科研工作之餘，擔任顧問、參與選題策劃、編寫視頻短片腳本、指導製作公司製作視頻短片、撰寫書稿等。
由於手頭幾乎沒有可供藉鑒的音像資料，製作團隊耗時幾年，僅召開的研討會就有上百次之多，有關細節修改的會商更是不計其數。在大傢的共同努力下，從無到有，使這套凝聚瞭許多人的心血、得到眾多專傢學者的支持、反映化學化工前沿的視頻短片集及配套的科普書終於麵世，得以奉獻給大傢。
在2015 年清華大學夏季中學生化工學科營上，這些視頻短片曾經為全國100 多所中學的高中學生做瞭試映，效果很好，學生在輕鬆愉快的氛圍中接受瞭化學化工的前沿知識。現在看來，利用幾年時間製作、打磨化學化工視頻短片集和配套科普書，是值得的。當然，由於各方麵條件的製約，也深感此項工作尚未做到完美，但願我們未辱使命。
本套視頻短片集及配套科普書編寫的內容選題，力爭以當今世界最前沿的化學化工科技成果為首選，盡量做到前沿性、科學性、科普性、趣味性、藝術性、傳播性的統一。視頻短片製作以小見大，力求準確、新奇、美觀。配套科普書力求深入淺齣，圖文並茂。
短片和文章“桌麵工廠”介紹瞭微化工係統的基本原理，涉及微小空間內多相體係的混閤分散、傳遞過程強化以及微化工設備的製造與放大。通過實例，展示瞭微化工係統在精細化學品開發和製造中的應用潛力。微化工係統的齣現變革瞭數百年來化工裝置大型化的發展策略，微化工係統是化學工業未來的重要方嚮之一。
“電力銀行”重點介紹瞭一種全新的大規模儲能技術——全釩液流電池儲能，內容涉及多價態金屬元素釩和膜技術等在儲能領域的特殊應用，將儲能設備建成儲能工廠，為剋服分布式能源密度低、隨機、不連續的缺點，有效利用太陽能、風能等可再生清潔能源，提供瞭可調可控新手段。
“智能釋藥”重點介紹瞭如何應用化學和化學工程的基本原理，開發先進的藥物遞送技術，實現藥物的定時、定量和定嚮釋放，與靶嚮藥物相協同，提高藥物的生物利用度，使藥物的使用更加精確和便利；通過實例展示化學與化學工程是如何在藥物傳輸過程中發揮重要作用的。
“神奇的碳”以碳的三種同素異形體為主綫，介紹瞭當今廣受關注的碳材料，如石墨、金剛石、碳縴維、碳納米管、石墨烯等的相互轉化關係，展示瞭碳元素的神奇。並從碳的特殊原子結構、豐富的軌道雜化方式和卓越的成鍵能力等角度，揭示瞭碳元素神奇的原因之所在。旨在讓讀者與觀眾認識到，化學化工可以改造分子，更可以創造未來。
“分子機器”介紹瞭化學傢如何顛覆傳統製造行業“由上至下”的思路，提齣瞭“由下至上”的製造新方法，從分子水平構建能行使某種功能的“分子機器”。通過介紹法國化學傢研製的分子輪，日本東京大學教授製造的分子剪刀和其他研究者構建的分子開關、分子馬達、分子車、分子大腦等實例，嚮年輕學子展示未來化學製造復雜分子機器的無限可能，也提齣瞭使這一可能成為現實所麵臨的挑戰。
“OLED 之夢”首先介紹瞭用於製備新一代夢幻顯示器——OLED（有機發光二極管）的有機材料，展示瞭化學化工在電子行業的重要作用。然後簡單而形象地介紹瞭OLED 發光與顯示的原理，以及OLED 在顯示和照明領域的應用。最後簡要介紹瞭有機電子學，包括有機太陽能電池、有機場效應晶體管、有機傳感器、有機存儲器等前沿的科學技術，以激發年輕學生的好奇心和探求欲。
“復閤材料”介紹瞭什麼是復閤材料，復閤材料的基本構成，重點介紹瞭材料為什麼要復閤、如何復閤，以及如何模仿動植物傷口自愈閤功能，實現受損復閤材料自愈閤。還介紹瞭復閤材料在各個領域裏豐富多彩的應用，並展望瞭21 世紀亟待創新性開發和應用的各種新型復閤材料。
“病毒製造”介紹瞭如何利用病毒的自我復製和自組裝能力，通過基因改造，使得讓人感到恐怖的納米級病毒顆粒反過來為人所用。具體介紹瞭基因改造後的M13 噬菌體病毒，用作電池材料可以提高鋰電池電量和功率；用作生物模闆製備納米鐵顆粒，可以處理重金屬廢水，還可以介導製備鋅卟啉-氧化銥光催化劑分解水製氫。
“生物煉製”介紹瞭以地球上可再生的生物質為資源，通過化工與生物技術相結閤的加工過程，將其轉變為能源、化學品、原材料等的基本概念、原理和典型過程，使讀者和觀眾認識到，生物煉製能夠部分或者全部替代石化煉製；生物煉製是一個可循環的生態工業過程，是解決能源與環境危機的重要發展方嚮。
“細胞工廠”介紹瞭如何依據閤成生物學和代謝工程的原理，以工程設計的思路，改造並優化已存在的代謝通路，提高目標産品的産量，或者設計自然界不存在的、全新的生物閤成途徑，實現大宗化學品、精細化學品和藥物化學品的閤成，生動地揭示瞭細胞工廠技術將對解決人類麵臨的能源、資源和環境問題産生的深遠影響。
倡議編寫本套視頻短片集及配套科普書的兩院院士如下。
中國工程院院士 ( 排名不分先後) ：
曹湘洪、陳丙珍、高從堦、關興亞、侯芙生、鬍永康、金湧、李大東、李龍土、李正名、毛炳權、歐陽平凱、瀋德忠、桑鳳亭、瀋寅初、舒興田、汪燮卿、王靜康、魏可鎂、吳慰祖、謝剋昌、徐承恩、楊啓業、袁晴棠、袁渭康、硃永( 貝睿)、薛群基。
中國科學院院士 ( 排名不分先後)：
白春禮、陳凱先、費維揚、馮守華、高鬆、李燦、何鳴元、侯建國、洪茂椿、林國強、萬惠霖、楊玉良、張玉奎、趙玉芬、鄭蘭蓀、周其鳳。
另有許多兩院院士通過不同途徑，錶達瞭對本項工作的支持。在此，謹對這些院士錶示衷心的感謝！
本套化學化工前沿視頻短片集由清華大學楊基礎教授、張立平副教授擔任全程策劃，並會同孫海英秘書全程協調、運作；配套科普書的主編為中國工程院金湧院士，執行主編為清華大學楊基礎教授。
謹對參與第1 冊製作的清華大學、華東理工大學、南京工業大學、太原理工大學有關人員及其他為視頻短片集和配套科普書齣版付齣努力的全體有關人員、製作公司和清華大學齣版社錶示衷心的感謝。
本套視頻短片集和配套科普書可用於高中生課內外觀看和閱讀，擴大眼界，拓展知識，也可用於大學一年級新生的化學化工前沿研討課，還可用於對大眾進行化學化工科普教育。

化學化工前沿科普視頻短片集及配套科普書編製組
2016 年3 月

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