资源能源与可持续发展（费强）

随着科学技术的突破与发展，人类利用自然资源的能力显著提升，带动了社会经济的高速发展，人类文明达到了前所未有的高度。人类社会在受益于科学技术迅猛发展成果的同时，也面临着日趋严峻的来自资源、能源和环境的挑战，尤其是气候变化对生态环境的影响，给人类敲响了警钟。在此背景下，坚持以人为本，构建可持续发展之路成为全人类的共识。以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导方针，实现从粗放型增长到节约型可持续发展转变已成为必由之路。高质量发展是全面建设社会主义现代化国家的首要任务，而推动经济社会发展绿色化、低碳化是实现高质量发展的关键环节。党的二十大报告紧紧围绕推动绿色发展，促进人与自然和谐共生，对新时代新征程生态文明建设做出重大决策部署，提出重点任务举措。资源、能源、经济、环境的协同发展，可推进经济社会发展全面绿色转型。
可持续发展的生态社会在内容上涉及资源、能源和环境与人类社会的相互关系，是一个交错复杂的实际命题。因此，着眼长远发展，培养具有系统、全面可持续发展理念和技能的人才成为当今高等教育的重要使命。为此，作者编写一本将可持续发展的生态社会与循环经济、节能减排、绿色产品工程和可再生能源等理念有机融合，使学生能够主动发现和贯通相关专业知识之间的联系，实现通识教育与专业教育间有效沟通的教科书，以期为学生提供一本具有科学性、普及性、知识性、专业性和趣味性的基础通识类教材。
作者团队紧密结合国家“双一流”大学的建设方向、学科与专业内涵发展目标、工程学科发展的前沿，从社会、自然和工程等不同学科角度出发，分析和讨论资源、能源与环境等领域的具体问题，引导学生理解社会可持续发展的意义，培养学生循环经济和低碳生活的理念。同时，本教材着重对学生进行“多学科问题分析式”的培养，使学生关注学科之间的非线性强交联，注重向学生展示基础资料，培养学生将客观现实与价值观思考相联系的能力，使学生关注“卡脖子”课题，培养学生的社会责任感。通过启发学生的设计思维、工程思维、批判思维和创新思维，提高学生分析和论证实际问题及解决这些问题的能力，为学生的专业知识和技能的进一步学习与提升夯实基础。在我国提出“双碳”目标的背景下，通过自然科学、工程科学、人文社会科学等跨学科的课程教学，培养学生从不同角度分析多元复杂问题，探讨社会、科学与技术的演化，在动态思维中规划未来的能力。
本书为西安交通大学化学工程与工艺专业国家级一流本科专业的建设成果教材。全书共分7 章，各章的编写具体分工如下：第一章，魏进家；第二章，郑楠、魏进家；第三章，郭树奇、李爱朋、费强；第四章，费强；第五章，杨庆远；第六章，马英群；第七章，刘桂莲。作者特别感谢西安交通大学化学工程与技术学院作者团队课题组的博硕士研究生以及教辅人员给予的帮助。作者力求一反传统的“单学科理论演绎式”教材撰写的模式，在书中向读者讲解多学科交叉融合发展，但由于各学科领域发展迅速，且限于作者的学术功底、研究经验和写作能力，书中难免存在疏漏和不妥之处，敬请广大读者不吝赐教，我们将持续修正和完善。

编者
2023 年11 月

《资源能源与可持续发展》围绕社会可持续发展理念，以循环经济、低碳生活与生态社会等领域存在的问题为核心，从社会科学、自然科学和工程科学等多学科出发，描述能源、资源、环境和可持续发展等领域的现状和具体问题，使读者了解工科与其他学科结合可能提供的解决方案。书中内容可以让学生了解多学科知识，加强通识教育与专业教育之间的联系，有助于学生融会贯通地运用多学科、多领域的交叉知识解决实际问题。
本书围绕“通识教育+宽口径教育”的人才培养理念，在介绍可再生能源（第二章）、细胞工厂（第三章）、生物炼制（第四章）、绿色材料（第五章）、有机固体废弃物资源化（第六章）、低碳工厂与生态（第七章）等相关前沿专业知识的同时，以期增强学生对可持续发展、绿色经济等先进理念的深度认识，力求促进对学生的工程能力和人文素养的培养。
《资源能源与可持续发展》是一本以可持续发展和低碳生态社会为主题的教材，适用于理工科类专业的本科生，相信对化工、生物、能源、资源和环境等领域的科技工作者也有一定的帮助。

第一章 绪论 001
1.1 资源与环境 001
1.1.1 水资源与环境 002
1.1.2 土地资源与环境 004
1.1.3 矿产资源与环境 006
1.2 能源与环境 007
1.2.1 能源发展历史 007
1.2.2 能源及其开发利用 008
1.2.3 能源的分类 010
1.2.4 能源利用存在的问题 011
1.2.5 能源的可持续利用 013
1.3 资源与人类社会发展 015
1.4 循环经济与社会经济可持续发展 015
1.4.1 资源、环境与社会发展的关系 015
1.4.2 循环经济 016
1.4.3 生态工业过程技术开发原则 018
1.4.4 发展循环经济的重要意义 021
思考题 021
参考文献 021

第二章 可再生能源 023
2.1 概述 023
2.1.1 可再生能源定义及分类 023
2.1.2 可再生能源及其利用途径 025
2.1.3 可再生能源利用现状及前景 027
2.2 太阳能 030
2.2.1 概述 030
2.2.2 太阳能的利用形式 031
2.2.3 太阳能光热利用 032
2.2.4 太阳能发电 034
2.3 风能 049
2.3.1 风力发电 049
2.3.2 风电技术 051
2.4 水能 053
2.4.1 水力发电 053
2.4.2 三峡电站 054
2.4.3 水力资源开发方式 055
2.4.4 水力发电优势、弊端及展望 055
2.5 展望 056
2.5.1 经济与社会效益 056
2.5.2 挑战及发展前景 059
思考题 061
参考文献 062

第三章 细胞工厂 063
3.1 概述 063
3.1.1 代谢工程概述 063
3.1.2 合成生物学概述 064
3.1.3 现代酶工程概述 066
3.2 代谢工程 067
3.2.1 细胞的生长代谢 067
3.2.2 代谢网络 067
3.2.3 组学分析 068
3.2.4 代谢工程应用实例 069
3.3 合成生物学 070
3.3.1 研究方法 070
3.3.2 层级化结构 071
3.3.3 使能技术 072
3.3.4 合成生物系统 074
3.3.5 合成生物学应用实例 075
3.4 现代酶工程 077
3.4.1 酶学基础 077
3.4.2 改造方法 080
3.4.3 现代酶工程应用实例 083
思考题 085
参考文献 086

第四章 生物炼制 087
4.1 概述 087
4.1.1 背景 087
4.1.2 第一代生物炼制 088
4.1.3 第二代生物炼制 090
4.2 预处理方法 093
4.2.1 物理法 093
4.2.2 化学法 094
4.2.3 物理化学法 095
4.2.4 生物法 097
4.3 酶水解过程 097
4.4 生物炼制工艺 099
4.4.1 分步糖化和发酵 099
4.4.2 同时糖化和发酵及同时糖化和共发酵 099
4.4.3 联合生物加工 100
4.4.4 微生物的开发 100
4.5 生物炼制案例 101
4.5.1 嗜热微生物合成生物乙醇 101
4.5.2 产油微生物合成微生物油脂 102
4.5.3 极端微生物合成生物氢气 104
思考题 106
参考文献 106

第五章 绿色材料 108
5.1 概述 108
5.1.1 绿色材料定义及其分类 108
5.1.2 绿色材料的判据 110
5.2 绿色吸附分离材料 112
5.2.1 金属-有机框架材料 112
5.2.2 共价-有机框架材料 116
5.2.3 其他绿色吸附分离材料 120
5.2.4 绿色吸附分离材料发展前景 123
5.3 绿色催化材料 124
5.3.1 绿色催化材料的制备方法 124
5.3.2 绿色催化材料应用举例 125
5.3.3 绿色催化材料发展前景 126
5.4 其他绿色材料 128
5.4.1 绿色建筑装饰材料 128
5.4.2 绿色高分子材料 130
5.4.3 绿色纳米材料 131
思考题 134
参考文献 135

第六章 有机固体废弃物资源化 136
6.1 概述 136
6.2 有机固体废弃物堆肥处理技术 137
6.2.1 堆肥概念及影响因素 137
6.2.2 堆肥工艺与设备 140
6.3 有机固体废弃物厌氧消化处理技术 143
6.3.1 厌氧消化概念及影响因素 143
6.3.2 厌氧消化工艺与设备 146
6.3.3 沼液与沼渣的综合利用 152
6.4 有机固体废弃物热解处理技术 153
6.4.1 热解原理及影响因素 153
6.4.2 热解工艺及其在有机固体废弃物处理中的应用 155
6.5 典型有机固体废弃物的资源化技术 162
6.5.1 餐厨垃圾资源化 162
6.5.2 废水污泥资源化 168
6.5.3 畜禽粪便资源化 170
6.6 有机固体废弃物资源化技术展望 172
6.6.1 有机固体废弃物资源化的经济、社会和环境效益 172
6.6.2 有机固体废弃物资源化技术的机遇、挑战和发展前景 172
思考题 173
参考文献 174

第七章 低碳工厂与生态 175
7.1 工业低碳发展趋势 175
7.1.1 钢铁工业 176
7.1.2 有色金属 176
7.1.3 石油化工 178
7.1.4 建筑业 179
7.2 能源资源利用过程节能减排和污染整治 180
7.2.1 世界各国状况 181
7.2.2 石化行业的低碳发展 185
7.3 过程系统集成助力石化行业低碳生产 189
7.3.1 能量系统集成 190
7.3.2 水系统的集成与优化 193
7.3.3 氢气系统集成 196
7.3.4 系统集成的其他应用实例 198
7.3.5 智能化低碳工厂 199
思考题 203
参考文献 203