資源能源與可持續發展（費強）

隨著科學技術的突破與發展，人類利用自然資源的能力顯著提升，帶動了社會經濟的高速發展，人類文明達到了前所未有的高度。人類社會在受益于科學技術迅猛發展成果的同時，也面臨著日趨嚴峻的來自資源、能源和環境的挑戰，尤其是氣候變化對生態環境的影響，給人類敲響了警鐘。在此背景下，堅持以人為本，構建可持續發展之路成為全人類的共識。以習近平新時代中國特色社會主義思想為指導方針，實現從粗放型增長到節約型可持續發展轉變已成為必由之路。高質量發展是全面建設社會主義現代化國家的首要任務，而推動經濟社會發展綠色化、低碳化是實現高質量發展的關鍵環節。黨的二十大報告緊緊圍繞推動綠色發展，促進人與自然和諧共生，對新時代新征程生態文明建設做出重大決策部署，提出重點任務舉措。資源、能源、經濟、環境的協同發展，可推進經濟社會發展全面綠色轉型。
可持續發展的生態社會在內容上涉及資源、能源和環境與人類社會的相互關系，是一個交錯復雜的實際命題。因此，著眼長遠發展，培養具有系統、全面可持續發展理念和技能的人才成為當今高等教育的重要使命。為此，作者編寫一本將可持續發展的生態社會與循環經濟、節能減排、綠色產品工程和可再生能源等理念有機融合，使學生能夠主動發現和貫通相關專業知識之間的聯系，實現通識教育與專業教育間有效溝通的教科書，以期為學生提供一本具有科學性、普及性、知識性、專業性和趣味性的基礎通識類教材。
作者團隊緊密結合國家“雙一流”大學的建設方向、學科與專業內涵發展目標、工程學科發展的前沿，從社會、自然和工程等不同學科角度出發，分析和討論資源、能源與環境等領域的具體問題，引導學生理解社會可持續發展的意義，培養學生循環經濟和低碳生活的理念。同時，本教材著重對學生進行“多學科問題分析式”的培養，使學生關注學科之間的非線性強交聯，注重向學生展示基礎資料，培養學生將客觀現實與價值觀思考相聯系的能力，使學生關注“卡脖子”課題，培養學生的社會責任感。通過啟發學生的設計思維、工程思維、批判思維和創新思維，提高學生分析和論證實際問題及解決這些問題的能力，為學生的專業知識和技能的進一步學習與提升夯實基礎。在我國提出“雙碳”目標的背景下，通過自然科學、工程科學、人文社會科學等跨學科的課程教學，培養學生從不同角度分析多元復雜問題，探討社會、科學與技術的演化，在動態思維中規劃未來的能力。
本書為西安交通大學化學工程與工藝專業國家級一流本科專業的建設成果教材。全書共分7 章，各章的編寫具體分工如下：第一章，魏進家；第二章，鄭楠、魏進家；第三章，郭樹奇、李愛朋、費強；第四章，費強；第五章，楊慶遠；第六章，馬英群；第七章，劉桂蓮。作者特別感謝西安交通大學化學工程與技術學院作者團隊課題組的博碩士研究生以及教輔人員給予的幫助。作者力求一反傳統的“單學科理論演繹式”教材撰寫的模式，在書中向讀者講解多學科交叉融合發展，但由于各學科領域發展迅速，且限于作者的學術功底、研究經驗和寫作能力，書中難免存在疏漏和不妥之處，敬請廣大讀者不吝賜教，我們將持續修正和完善。

編者
2023 年11 月

《資源能源與可持續發展》圍繞社會可持續發展理念，以循環經濟、低碳生活與生態社會等領域存在的問題為核心，從社會科學、自然科學和工程科學等多學科出發，描述能源、資源、環境和可持續發展等領域的現狀和具體問題，使讀者了解工科與其他學科結合可能提供的解決方案。書中內容可以讓學生了解多學科知識，加強通識教育與專業教育之間的聯系，有助于學生融會貫通地運用多學科、多領域的交叉知識解決實際問題。
本書圍繞“通識教育+寬口徑教育”的人才培養理念，在介紹可再生能源（第二章）、細胞工廠（第三章）、生物煉制（第四章）、綠色材料（第五章）、有機固體廢棄物資源化（第六章）、低碳工廠與生態（第七章）等相關前沿專業知識的同時，以期增強學生對可持續發展、綠色經濟等先進理念的深度認識，力求促進對學生的工程能力和人文素養的培養。
《資源能源與可持續發展》是一本以可持續發展和低碳生態社會為主題的教材，適用于理工科類專業的本科生，相信對化工、生物、能源、資源和環境等領域的科技工作者也有一定的幫助。

第一章 緒論 001
1.1 資源與環境 001
1.1.1 水資源與環境 002
1.1.2 土地資源與環境 004
1.1.3 礦產資源與環境 006
1.2 能源與環境 007
1.2.1 能源發展歷史 007
1.2.2 能源及其開發利用 008
1.2.3 能源的分類 010
1.2.4 能源利用存在的問題 011
1.2.5 能源的可持續利用 013
1.3 資源與人類社會發展 015
1.4 循環經濟與社會經濟可持續發展 015
1.4.1 資源、環境與社會發展的關系 015
1.4.2 循環經濟 016
1.4.3 生態工業過程技術開發原則 018
1.4.4 發展循環經濟的重要意義 021
思考題 021
參考文獻 021

第二章 可再生能源 023
2.1 概述 023
2.1.1 可再生能源定義及分類 023
2.1.2 可再生能源及其利用途徑 025
2.1.3 可再生能源利用現狀及前景 027
2.2 太陽能 030
2.2.1 概述 030
2.2.2 太陽能的利用形式 031
2.2.3 太陽能光熱利用 032
2.2.4 太陽能發電 034
2.3 風能 049
2.3.1 風力發電 049
2.3.2 風電技術 051
2.4 水能 053
2.4.1 水力發電 053
2.4.2 三峽電站 054
2.4.3 水力資源開發方式 055
2.4.4 水力發電優勢、弊端及展望 055
2.5 展望 056
2.5.1 經濟與社會效益 056
2.5.2 挑戰及發展前景 059
思考題 061
參考文獻 062

第三章 細胞工廠 063
3.1 概述 063
3.1.1 代謝工程概述 063
3.1.2 合成生物學概述 064
3.1.3 現代酶工程概述 066
3.2 代謝工程 067
3.2.1 細胞的生長代謝 067
3.2.2 代謝網絡 067
3.2.3 組學分析 068
3.2.4 代謝工程應用實例 069
3.3 合成生物學 070
3.3.1 研究方法 070
3.3.2 層級化結構 071
3.3.3 使能技術 072
3.3.4 合成生物系統 074
3.3.5 合成生物學應用實例 075
3.4 現代酶工程 077
3.4.1 酶學基礎 077
3.4.2 改造方法 080
3.4.3 現代酶工程應用實例 083
思考題 085
參考文獻 086

第四章 生物煉制 087
4.1 概述 087
4.1.1 背景 087
4.1.2 第一代生物煉制 088
4.1.3 第二代生物煉制 090
4.2 預處理方法 093
4.2.1 物理法 093
4.2.2 化學法 094
4.2.3 物理化學法 095
4.2.4 生物法 097
4.3 酶水解過程 097
4.4 生物煉制工藝 099
4.4.1 分步糖化和發酵 099
4.4.2 同時糖化和發酵及同時糖化和共發酵 099
4.4.3 聯合生物加工 100
4.4.4 微生物的開發 100
4.5 生物煉制案例 101
4.5.1 嗜熱微生物合成生物乙醇 101
4.5.2 產油微生物合成微生物油脂 102
4.5.3 極端微生物合成生物氫氣 104
思考題 106
參考文獻 106

第五章 綠色材料 108
5.1 概述 108
5.1.1 綠色材料定義及其分類 108
5.1.2 綠色材料的判據 110
5.2 綠色吸附分離材料 112
5.2.1 金屬-有機框架材料 112
5.2.2 共價-有機框架材料 116
5.2.3 其他綠色吸附分離材料 120
5.2.4 綠色吸附分離材料發展前景 123
5.3 綠色催化材料 124
5.3.1 綠色催化材料的制備方法 124
5.3.2 綠色催化材料應用舉例 125
5.3.3 綠色催化材料發展前景 126
5.4 其他綠色材料 128
5.4.1 綠色建筑裝飾材料 128
5.4.2 綠色高分子材料 130
5.4.3 綠色納米材料 131
思考題 134
參考文獻 135

第六章 有機固體廢棄物資源化 136
6.1 概述 136
6.2 有機固體廢棄物堆肥處理技術 137
6.2.1 堆肥概念及影響因素 137
6.2.2 堆肥工藝與設備 140
6.3 有機固體廢棄物厭氧消化處理技術 143
6.3.1 厭氧消化概念及影響因素 143
6.3.2 厭氧消化工藝與設備 146
6.3.3 沼液與沼渣的綜合利用 152
6.4 有機固體廢棄物熱解處理技術 153
6.4.1 熱解原理及影響因素 153
6.4.2 熱解工藝及其在有機固體廢棄物處理中的應用 155
6.5 典型有機固體廢棄物的資源化技術 162
6.5.1 餐廚垃圾資源化 162
6.5.2 廢水污泥資源化 168
6.5.3 畜禽糞便資源化 170
6.6 有機固體廢棄物資源化技術展望 172
6.6.1 有機固體廢棄物資源化的經濟、社會和環境效益 172
6.6.2 有機固體廢棄物資源化技術的機遇、挑戰和發展前景 172
思考題 173
參考文獻 174

第七章 低碳工廠與生態 175
7.1 工業低碳發展趨勢 175
7.1.1 鋼鐵工業 176
7.1.2 有色金屬 176
7.1.3 石油化工 178
7.1.4 建筑業 179
7.2 能源資源利用過程節能減排和污染整治 180
7.2.1 世界各國狀況 181
7.2.2 石化行業的低碳發展 185
7.3 過程系統集成助力石化行業低碳生產 189
7.3.1 能量系統集成 190
7.3.2 水系統的集成與優化 193
7.3.3 氫氣系統集成 196
7.3.4 系統集成的其他應用實例 198
7.3.5 智能化低碳工廠 199
思考題 203
參考文獻 203