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化学工程专业之“三问”——访中国工程院院士金涌

发布者:    发布时间:2022-06-22  

2022年高考刚刚结束,志愿填报成为考生和家长近期关注的焦点。今年全国高考报名人数达到1193万人,再创历史新高。作为现代工程学科之一,化学工程专业是什么?学什么?干什么?成为考生最想要了解的问题。带着这三个问题,记者于6月15日专访了化学工程领域权威专家——中国工程院院士、清华大学教授金涌。

一问:化学工程专业是什么

“要弄清楚化学工程专业的内涵,首先要了解化学工程的主要研究对象,也就是化学工业。”金涌院士表示,化学工业非常重要,它的重要性体现它对现代社会的四个贡献。

第一个贡献就是现代社会的衣食住行,都和化学工业密切相关。”金涌院士介绍说。首先,“穿的衣服”离不开化学工业。我国的耕地面积不足,不可能种那么多棉花,来满足14亿人的穿衣需求。所以我国成为世界上最大的合成纤维生产国,聚酯纤维的年产量占到世界的60%以上,每年可为全球每个人制作4套衣服。其次,生产“吃的粮食”也离不开化学工业。我国粮食年产量从新中国成立伊始的1亿吨提高到2020年的六七亿吨,增加了近七倍,依靠的是农用化学品,也就是合成氨制成的化肥、聚烯烃制成的农用地膜,以及各种杀虫剂、生长促进剂等,是它们保证了我国的粮食安全。再次,“住的房子”消耗了大量的化工产品,新增建筑需求量最大的是水泥、钢筋等,目前我国的水泥产量占全球总产量的65%,钢铁占全球的50%。当然还有内装饰所用的塑料、涂料等,也大都来自化学工业。最后,“出行的车”也是石化用品消耗大户,每年有六七亿吨的石油炼制成为汽油、柴油、煤油和润滑油等供给燃油车等使用,新能源汽车制造所需的锂电池、燃料电池也来自化学工业。所以说,化学工业是支持现在人类社会生活的主力军,是化学工业的进步和发展,让人民大众生活得更幸福、更美好。

第二个贡献是高端制造和先进制造的发展,需要化学工业的支撑。高端制造和先进制造的发展需要各种高性能材料,包括高强度、高耐热、高耐寒、高耐磨、高密封、超导、超细、超含能、超结构和自组装材料等,都需要化学工程技术进步打基础。在国防军工领域,没有高强度材料,就没有歼-20和轰-20的自主生产;没有高耐热材料,就没有辽宁舰和山东舰的成功下水; 没有高磁性材料,就没有核聚变反应堆的能量释放。在电子信息领域,没有超高纯度的硅材料,计算机工业会失去了根基;没有石墨烯、碳纳米管等纳米材料,新能源产业也会迷失了方向。子午胎所需要的高密封材料,风电叶片所需的高强度碳纤维复合材料……这样的例子不胜枚举。可以说没有先进的化工材料,就没有这些高端制造和先进制造。

化学工业的第三个贡献就是为人类健康服务。让屠呦呦获得诺贝尔奖的青蒿素就是用化学方法,也就是超临界萃取法提取出来的。青蒿素在过去50多年的时间里,在全球至少拯救了数百万人的生命。化学合成还可以制作很多常见的药物,包括最常见也是最常用到的退烧药等。简单地说,制药厂基本就是化工厂。还有一个例子是抗癌药物紫杉醇,它最初是从植物的树皮中提取的,产量极低,化学合成法发明后才提高了产量、效果也更好。

第四个贡献是化学工业使社会经济实现永续发展。在100年、500年、1000年以后或者更远的未来,地球上现有的矿产资源、化石能源将被开采完,人类生存所需的能源资源从哪来?这个问题需要化学工业来解答,因为物质是不灭的、资源是可以循环利用的。化学家擅长“变戏法”,把使用过的塑料、钢材等变废为宝,重新变成新的材料再次投入使用。这是化学工业的强项。

二问:化学工程专业学什么

“化学工程要解决三个层次的问题:物质的、能量的、信息的,进入化学工程专业主要的学习内容也是围绕这三个问题展开的。”金涌院士提纲挈领地概括道。

第一个层次是解决物质的问题,主要是指物质的传递和转化。初高中化学课程的学习对化学有了基本的普及,化学反应的本质是旧的化学键断裂,新的化学键生成;分子破裂成原子,原子重新排列组合生成新分子。所以化学工程专业首先要学习研究的对象是物质。

物质传递,可以简单地理解为提纯,比如在半导体工业中,将工业硅提纯得到的、杂质含量极少的高纯硅,再进一步加工处理得到单晶硅和多晶硅,用在集成电路上;再比如在核工业中,铀同位素235要与和它化学性质相同而质量非常接近的铀238进行分离提纯,才能作为核燃料。

物质转化就是将物质进行混合发生反应生成新的物质,比如氢气和一氧化碳或者二氧化碳反应可以生成甲醇。化学家就像是魔术师,物质在他们手中,可以反应合在一起,也可以再次分开,这也就是化学工程的奇妙之处。

第二个层次是解决能量的问题,包括能量的传递和转化。在化学反应发生过程中,也就是物质在传递和转化过程中将产生大量的能量,也就引发了能量的传递和转化问题。这两个过程是密切相关、同时发生的,但反应速度不一样,一个是线性的,一个是非线性。能量传递问题要解决的是能量的引入或者释放,比如两个氢原子和一个氧原子变成水的时候,要放出大量的热,如果热量转移不出来就会发生爆炸。能量转化的应用领域也很丰富,化学能可以转化成电能,就形成了电池;电能也可以变成化学能,比如电解法生成烧碱。热能和电能也可以相互转换,太阳能电池板将热能变成电能,电加热棒又将电能变成热能,给反应过程加热。这就是化学工程专业第二个研究对象——能量的控制。

第三个层次是解决信息的问题,包括信息的提取和优化。在化学反应过程中有大量需要控制的因素,比如反应器中的温度、压力,反应物和产品的浓度、黏度等,要知道这些参数有哪些,如何控制在合理范围,要能读取、会测量,还要进行优化。这些信息还要按照工艺的具体要求来实现,从而通过控制这些因素实现整个工艺流程的打通、整套工业装置的开车和停车等。

总之,化学工程学科教给学生的是物质、能量、信息的传递和转化,也就是研究这三个密不可分的过程,掌握这些手段就可以做到游刃有余。

三问:化学工程专业干什么

金涌院士表示,学习化学工程专业,毕业后的发展方向和选择也很多。如果你的好奇心很强,想继续研究世界的各种现象与规律,可以继续扎根在基础研究领域,攻读硕士和博士研究生,最终成为化学家。因为化学工程相关的研究领域非常多,也和各个学科都可以发生“反应”,就像之前所说化学是非常奇妙的。进入研究生时期,你就会发现,化学和数学是一对搭档,他们密切相关。化学反应是非线性偶联的、是混沌的、是学科交叉的、是大数据整合的,化学研究需要同数学家紧密合作,现代化学工程对计算技术的要求也是非常之高。

“据我所知,美国最好的化工系之一——明尼苏达大学化工系的主任就曾经是一名数学家,改行到了化工专业。”金涌院士微笑着说,“化学工程专业早已经不是人们过去所认为的只在实验室里摆弄瓶瓶罐罐,如今它和计算机科学、数学、物理和生物学都有非常紧密的联系。当你下定决心从事基础研究的时候,你所要面对的已经是价值上千万元的原子电镜等高精尖设备仪器,所要面向的是深冷、等离子态、超临界等更为前沿的研究领域了。”

“自然界的物质种类大概是10的8次方那么多,而人工可以合成的物质种类起码达到10的30次方,甚至是10的200次方。可供研究的空间之广阔,夸张一点说,化学工程是仅次于上帝的事业。上帝没给我们的,它给了。”金涌院士说。

“如果不想继续搞研究了,也可以选择成为企业家,化学工程专业也可以满足你。”金涌院士侃侃而谈,“你可以在多种行业里进行选择,如石油化工、煤化工、天然气化工、盐化工、制药、精细化工、日用化学品等,我国是化工大国,有非常大的选择空间,化学工程专业的学生就业渠道广阔,没有失业之忧。”



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