草甘膦由孟山都(Monsanto)公司于1971年成功開發(fā)并在美國實現(xiàn)商品化生產(chǎn)上市,由于其藥效高、使用成本低,且進入土壤后可在微生物、細菌等作用下快速分解,無農(nóng)藥殘留破壞土壤環(huán)境,因此迅速獲得行業(yè)推廣,使其成為最優(yōu)秀的農(nóng)藥品種之一。

草甘膦的生產(chǎn)工藝主要有2條：甘氨酸法工藝和IDA法工藝。受國內(nèi)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和資源環(huán)境影響,我國草甘膦生產(chǎn)工藝主要以甘氨酸法為主,占比達71%,形成了符合中國國情的生產(chǎn)技術(shù)體系。我國草甘膦產(chǎn)能高峰超過100萬t,但基于市場波動和環(huán)保趨嚴、相關(guān)政策等因素持續(xù)影響,行業(yè)經(jīng)歷了近10年的調(diào)整,產(chǎn)能逐步縮減至70萬t左右,實際開工企業(yè)家數(shù)由30家減少至10家左右,行業(yè)供應集中度明顯提高,供應格局重塑基本完成(表1)。

隨著我國環(huán)境保護要求的不斷嚴格,農(nóng)藥行業(yè)清潔生產(chǎn)體系建設水平也逐步提高,草甘膦作為第一個生產(chǎn)和使用量最大的農(nóng)藥產(chǎn)品,先后經(jīng)歷了10%草甘膦水劑的禁用、首輪草甘膦行業(yè)環(huán)保核查等政策措施的變化,同步也制定并推出了草甘膦副產(chǎn)工業(yè)鹽行業(yè)標準等一系列新要求,由此促進了草甘膦生產(chǎn)技術(shù)的快速提升。

新安集團作為草甘膦行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的領(lǐng)先者,逐步理清我國主導的甘氨酸法草甘膦合成反應機理,發(fā)現(xiàn)副產(chǎn)物氯甲烷的存在,并發(fā)明了相應的凈化回收利用技術(shù),與有機硅實現(xiàn)聯(lián)產(chǎn),形成了氯元素循環(huán)經(jīng)濟,并獲得國家科技進步二等獎。其后連續(xù)承擔了草甘膦技術(shù)創(chuàng)新領(lǐng)域的國家″十五″ ″十一五″科技攻關(guān)和″十二五″科技支撐計劃項目,推進了草甘膦行業(yè)的技術(shù)進步,開發(fā)了大型連續(xù)化生產(chǎn)技術(shù)、固體劑型系列產(chǎn)品、綜合能耗集成利用、含磷副產(chǎn)資源利用及廢水綜合回用技術(shù)等一系列清潔生產(chǎn)技術(shù)及裝備并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應用推廣,大大推進了我國草甘膦生產(chǎn)的綠色化進程。

本文從現(xiàn)有行業(yè)技術(shù)與應用出發(fā),針對甘氨酸法草甘膦工藝進行了分析,甘氨酸法工藝的綠色化水平已得到顯著提升,其相關(guān)主要指標優(yōu)于IDA工藝,對環(huán)境更為友好。

1 甘氨酸法草甘膦生產(chǎn)工藝

甘氨酸法工藝以甘氨酸、多聚甲醛、亞磷酸二甲酯為主要原料,以三乙胺為催化劑,甲醇為溶劑,通過解聚、加成、縮合和水解4步反應制得。該工藝初始草甘膦總收率不到60% (以甘氨酸計),通過對反應機理的探索及工藝參數(shù)的不斷優(yōu)化,輔以生產(chǎn)裝置的創(chuàng)新,目前草甘膦固體收率達78%以上,總收率可穩(wěn)定82%以上,推測其反應機理如下：

2 三廢產(chǎn)出及其治理技術(shù)

草甘膦生產(chǎn)過程中溶劑甲醇和副產(chǎn)甲縮醛通過精餾回收,根據(jù)新安集團生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明每噸草甘膦可產(chǎn)出約550kg甲縮醛副產(chǎn)品,可作為優(yōu)質(zhì)的有機溶劑出售。水解尾氣通過凈化、干燥后冷凝回收氯甲烷用于有機硅生產(chǎn),生產(chǎn)每噸草甘膦可產(chǎn)出約 520kg優(yōu)質(zhì)氯甲烷產(chǎn)品。結(jié)晶母液通過液堿中和后分層,回收催化劑三乙胺循環(huán)套用,剩余母液為草甘膦母液,每噸草甘膦產(chǎn)生約4t草甘膦母液。該母液組分復雜,未轉(zhuǎn)化為草甘膦的有機物幾乎都殘留在草甘膦母液中,造成大量的高濃度有機磷廢水(母液),其中主要含有草甘膦鈉鹽1%~2%、增甘膦鈉鹽2%~4%、亞磷酸鈉鹽1%~2%、甲基草甘膦鈉鹽0.3%~2%、羥甲基磷酸鈉鹽1%~3%、氯化鈉15%~17%等鹽類物質(zhì)以及少量其他有機物。

隨著環(huán)保核查的推進和清潔生產(chǎn)要求的提高,草甘膦母液處理問題成為制約該行業(yè)生存與發(fā)展的門檻,也是促進產(chǎn)業(yè)集中的重要原因。隨著草甘膦副產(chǎn)工業(yè)鹽行業(yè)標準的制定、發(fā)布與實施,清晰了副產(chǎn)綜合利用的指標要求,為行業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展提供了基礎(chǔ)保障。

副產(chǎn)物工業(yè)鹽氯化鈉的回收利用有2種工藝：氧化+濃縮工藝和膜分離+濃縮工藝,回收的副產(chǎn)品均可達到《HG/T 5531.1-2019草甘膦副產(chǎn)工業(yè)鹽第1部分：氯化鈉》標準的水平。

草甘膦母液的處理則經(jīng)歷了不同的階段,曾經(jīng)長期通過濃縮配制成10%草甘膦水劑銷售來利用母液中的草甘膦,同時解決了母液處理問題。隨著環(huán)保要求的日趨嚴格及相關(guān)政策的發(fā)布,以前的處理方式已經(jīng)不能滿足要求,促使草甘膦行業(yè)逐步開發(fā)了多種母液處理技術(shù)。經(jīng)產(chǎn)業(yè)化試驗與應用后,新安集團首創(chuàng)的以定向轉(zhuǎn)化技術(shù)為主的磷資源回收利用技術(shù),不僅率先在草甘膦行業(yè)中實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化,且在精細化工領(lǐng)域的醫(yī)藥、染料及危廢處理等多個行業(yè)內(nèi)被廣泛應用,并成為主流。定向轉(zhuǎn)化技術(shù)的核心是將經(jīng)過預處理的草甘膦母液在高溫條件下進行氧化和聚合反應,其中的含磷化合物經(jīng)過高溫定向轉(zhuǎn)化生成較為單一的磷酸鹽產(chǎn)品,可進一步提純或直接綜合利用,實現(xiàn)了磷資源的回收；高溫條件下其他復雜有機物同時得以無害化處理,并利用其熱值。該技術(shù)對化學需氧量(COD)去除率達到99.8%,磷資源的回收率達到95.0%以上,回收磷酸鹽產(chǎn)品質(zhì)量符合《HG/T 5531.2-2019草甘膦副產(chǎn)工業(yè)鹽第2部分：粗品焦磷酸鈉》標準。

草甘膦母液處理還有濕式氧化技術(shù)。高溫高壓條件下對草甘膦母液進行氧化處理,其COD去除率和磷酸鹽生成率分別可達94.5%和93.4%,然后再經(jīng)過低溫結(jié)晶回收磷酸氫二鈉,剩余殘液通過沉淀處理或焚燒處理,其回收產(chǎn)品質(zhì)量也達到《HG/T5531.3-2019草甘膦副產(chǎn)工業(yè)鹽第3部分：磷酸氫二鈉》標準。但因技術(shù)與設備條件要求高,殘液還需要進一步處理等因素,其應用推廣受到限制。

3 甘氨酸法草甘膦生產(chǎn)工藝清潔生產(chǎn)指標分析

甘氨酸法工藝主要以甘氨酸、亞磷酸二甲酯、多聚甲醛為原料,副產(chǎn)甲縮醛、氯甲烷、氯化鈉均已進行回收利用,在工藝最后階段產(chǎn)生的4t草甘膦母液,也通過磷資源回收得到了較好利用。為進一步分析工藝的綠色化水平,選取工藝過程中主要元素碳、磷、氮的原子利用率作為指標進行分析。根據(jù)文獻中的投料摩爾配比：甘氨酸∶亞磷酸二甲酯∶多聚甲醛=1∶1.2∶2,產(chǎn)品收率對其元素利用率進行分析,其中,甘氨酸法生產(chǎn)草甘膦干粉產(chǎn)品收率以78%計,母液磷資源利用以回收焦磷酸鈉產(chǎn)品平均值計(表2、3)。

根據(jù)表2、3計算表明,對環(huán)境影響因素最大的P原子利用率達95%,C原子利用率達89%,N原子利用率達78%。

IDA法草甘膦生產(chǎn)工藝國內(nèi)大規(guī)模生產(chǎn)方法主要以亞氨基二乙腈為原料,經(jīng)過水解、酸化得到亞氨基二乙酸(IDA),然后再與甲醛、亞磷酸進行縮合反應得到雙甘膦,最后采用活性炭負載貴金屬作為催化劑,空氣或者氧氣催化氧化雙甘膦合成草甘膦。其中IDA收率96%,雙甘膦合成原料摩爾配比為：IDA∶亞磷酸∶甲醛=1∶1.2∶1.25,反應收率93%。每生產(chǎn)1t草甘膦就會產(chǎn)生4~6t母液,母液中甲醛(約2.5%~3.5%)、草甘膦(約1.0%~2.0%)、COD (約5%~8%)含量高,組分中的大量甲醛尚難以回收利用。經(jīng)同等口徑計算,IDA法C、P、N3種主要元素的有效利用率分別為46%、69%、87%,在磷和碳元素的利用率上甘氨酸法工藝均遠超IDA工藝,但氮元素利用率仍相對偏低。

4 結(jié) 論

⑴ 在國家″十五″″十一五″科技攻關(guān)和″十二五″科技支撐計劃支持下,我國草甘膦生產(chǎn)企業(yè)通過自主創(chuàng)新,甘氨酸法草甘膦生產(chǎn)工藝業(yè)已實現(xiàn)了裝置的大型化和連續(xù)化,通過收率提升大幅提高了工藝綠色化水平。

⑵ 甘氨酸法工藝先后實現(xiàn)了氯甲烷氣體的回收凈化與利用,實現(xiàn)了國際首創(chuàng)的草甘膦與有機硅產(chǎn)業(yè)的協(xié)同發(fā)展,副產(chǎn)工業(yè)鹽以及甲縮醛等副產(chǎn)品也得到了有效回收利用,大部分副產(chǎn)均建立了相應的國家標準或行業(yè)標準。

⑶ 元素利用率分析表明甘氨酸法C、P、N的原子利用率分別達89%、95%和78%,其中C和P利用率高于IDA工藝。

綜上所述,通過不斷技術(shù)創(chuàng)新,我國自主開發(fā)的甘氨酸法草甘膦生產(chǎn)工藝的綠色化水平已經(jīng)得到顯著提升,不僅在磷元素和碳元素的利用上處于較高水平,且實現(xiàn)了裝置連續(xù)化及大型化,這也是我國草甘膦生產(chǎn)以甘氨酸路線為主的主要因素之一。后續(xù)研究重點將集中在工藝智能化改造、降低能耗水平從而降低單位產(chǎn)品的碳排放水平等領(lǐng)域。