化工材料何處去

海川

“化石能源消耗增長(zhǎng)快、環(huán)境污染日趨嚴(yán)重是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的突出問題，發(fā)展化工新材料產(chǎn)業(yè)要為支持節(jié)能減排、服務(wù)環(huán)境保護(hù)做貢獻(xiàn)?！敝袊?guó)工程院化工、冶金與材料工程學(xué)部主任，中國(guó)工程院院士曹湘洪在1月10日舉行的“材料產(chǎn)業(yè)與環(huán)境保護(hù)研討會(huì)”上如是說。

進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，并于2010年躍升為世界第二大經(jīng)濟(jì)體，與此同時(shí)，能源消費(fèi)量也迅猛增長(zhǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2002年我國(guó)的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）為12.03萬億元，2013年已超過56.8萬億元；2002年我國(guó)能源消費(fèi)總量為15.9億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，2013年已達(dá)到37.6億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。

長(zhǎng)期以來，我國(guó)經(jīng)濟(jì)主要靠第二產(chǎn)業(yè)拉動(dòng)，重化工業(yè)的突飛猛進(jìn)，不僅消耗了大量的化石能源，而且造成嚴(yán)重的大氣、水、土壤等環(huán)境污染，嚴(yán)重威脅廣大民眾的身心健康，而且因環(huán)境污染引發(fā)的群體性事件日漸增多。

在研討會(huì)上，與會(huì)專家認(rèn)為，傳統(tǒng)化工材料迫切需要轉(zhuǎn)型升級(jí)，今后要大力發(fā)展資源節(jié)約和環(huán)境友好型化工新材料。

化工新材料是新材料產(chǎn)業(yè)的一個(gè)重要分支，也是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的先導(dǎo)產(chǎn)業(yè)?！缎虏牧袭a(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》要求重視新材料研發(fā)、制備和使役全過程的環(huán)境友好性，提高資源能源利用效率，促進(jìn)新材料可再生循環(huán)，改變高消耗、高排放、難循環(huán)的傳統(tǒng)材料工業(yè)發(fā)展模式，走低碳環(huán)保、節(jié)能高效、循環(huán)安全的可持續(xù)發(fā)展道路。

《石油和化學(xué)工業(yè)“十二五”科技發(fā)展規(guī)劃綱要》提出了“十二五”期間行業(yè)科技開發(fā)和技術(shù)創(chuàng)新總體目標(biāo)：“十二五”末高耗能產(chǎn)品單耗達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，能耗在“十一五”末的基礎(chǔ)上再降10%，主要產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)，主要污染物排放總量在“十一五”末的基礎(chǔ)上再降10%。力爭(zhēng)到2015年，國(guó)內(nèi)高端化工新材料整體技術(shù)水平與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距縮小到10年左右，達(dá)到本世紀(jì)初國(guó)際先進(jìn)水平。

此外，《石化和化學(xué)工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》提出，大力發(fā)展工程塑料、特種合成橡膠等先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料，促進(jìn)結(jié)構(gòu)材料的輕質(zhì)化；加快發(fā)展以氟硅材料、功能性膜材料為代表的非金屬功能材料；加速發(fā)展高性能纖維及其增強(qiáng)復(fù)合材料；注重發(fā)展電子化學(xué)品、食品添加劑、飼料添加劑、水處理化學(xué)品、環(huán)保型塑料添加劑等高性能、環(huán)境友好、本質(zhì)安全的新型專用化學(xué)品。

曹湘洪院士指出，化工新材料在節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)中有其他材料難以替代的重要作用，要把支持節(jié)能、服務(wù)環(huán)保作為我國(guó)化工新材料發(fā)展的重要方向。

支持節(jié)能減排

有機(jī)高分子材料是一種高能量密度材料，其中通用聚合物材料產(chǎn)量大，應(yīng)用面廣。我國(guó)僅聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、ABS等合成樹脂，2012年的產(chǎn)量就達(dá)到5210萬噸，預(yù)計(jì)2015年將達(dá)到約6400萬噸，而聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯三大合成樹脂2015年的需求量將達(dá)5350萬噸。

提高材料的性能和功能化水平，對(duì)材料使用合理化、減量化、延長(zhǎng)使用壽命具有重要作用，可以明顯減少凝結(jié)在材料中的資源和能源消耗。例如現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中使用地膜，通過提高強(qiáng)度減薄一半，大棚膜壽命延長(zhǎng)一倍，其節(jié)材節(jié)能效果高達(dá)50%。所以在開發(fā)和推廣化工新材料的過程中，要重視提高通用聚合物材料的高性能化和功能化。

曹湘洪院士表示，通用聚合物材料高性能化和功能化可以選擇如下技術(shù)路線：增加或改變共聚單體，也可挑戰(zhàn)共聚單體的比例；開發(fā)新催化體系或改進(jìn)現(xiàn)有的催化體系；開發(fā)新聚合工藝與反應(yīng)器，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)合成材料的高性能化；共混或接枝改性，提升通用聚合物合成材料的性能。

我國(guó)單位GDP的能源消耗與國(guó)外先進(jìn)水平有明顯差距，因此應(yīng)大力發(fā)展節(jié)約能源、提高能效的化工材料。例如提高汽車能效的化工新材料，包括汽車輕量化材料、高性能潤(rùn)滑用材料；可降低輪胎滾動(dòng)阻力，提高耐磨性、抗?jié)窕缘木G色輪胎用合成橡膠材料等。

據(jù)了解，汽車輕量化材料的發(fā)展方向是：碳纖維及其熱固性和熱塑性復(fù)合材料，塑料油箱專用的聚乙烯、EVOH（乙烯/乙烯醇共聚物），替代擋風(fēng)玻璃的高透光性、高強(qiáng)、高韌聚合物，汽車專用聚丙烯等各種合成樹脂材料。

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，推進(jìn)綠色建筑和建筑節(jié)能刻不容緩。世界銀行估計(jì)，到2015年，中國(guó)的新建筑將占比世界總建筑的50%，而全世界40%的能源消耗實(shí)際上來自于建筑物能耗，但目前我國(guó)綠色建筑比例尚不到1%。

曹湘洪院士呼吁，要大力發(fā)展建筑節(jié)能材料，包括適合建筑物隔熱保溫的聚氨酯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯等基材，無公害阻燃技術(shù)生產(chǎn)的聚合物發(fā)泡墻體材料，以及長(zhǎng)壽命隔熱隔音建筑物門窗結(jié)構(gòu)材料、密封材料。

此外，還要推廣低能耗照明燈具材料，例如白色LED材料、有機(jī)光半導(dǎo)體（OLED）材料。與熒光燈相比，半導(dǎo)體照明具有許多優(yōu)勢(shì)，如沒有汞及紫外線，薄而輕，調(diào)光容易，器具造成的光損失較少。OLED材料還能制成透明產(chǎn)品、柔性產(chǎn)品，節(jié)能效果更好。

由國(guó)家發(fā)展改革委、科技部、工業(yè)和信息化部、財(cái)政部、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部、國(guó)家質(zhì)檢總局聯(lián)合編制的《半導(dǎo)體照明節(jié)能產(chǎn)業(yè)規(guī)劃》提出，到2015年，60W以上普通照明用白熾燈全部淘汰，市場(chǎng)占有率將降到10%以下；節(jié)能燈等傳統(tǒng)高效照明產(chǎn)品市場(chǎng)占有率穩(wěn)定在70%左右；LED功能性照明產(chǎn)品市場(chǎng)占有率達(dá)20%以上。此外，LED液晶背光源、景觀照明市場(chǎng)占有率分別達(dá)70%和80%以上。與傳統(tǒng)照明產(chǎn)品相比，LED道路照明節(jié)電30%以上，室內(nèi)照明節(jié)電60%以上，背光應(yīng)用節(jié)電50%以上，景觀照明節(jié)電80%以上，實(shí)現(xiàn)年節(jié)電600億千瓦時(shí)，相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤2100萬噸，減少二氧化碳排放近6000萬噸。

減少化石能源消耗，降低環(huán)境污染，不僅要全方位推進(jìn)節(jié)能減排，而且要加快調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，大力發(fā)展風(fēng)能、太陽能等可再生能源。2013年，我國(guó)可再生能源占能源消費(fèi)的比重不足10%。按照《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》，到2020年，我國(guó)可再生能源消費(fèi)量占能源消費(fèi)總量的比重要達(dá)到15%。

曹湘洪院士認(rèn)為，要積極發(fā)展太陽能熱發(fā)電用材料、太陽能光伏電池材料、風(fēng)力發(fā)電用材料和儲(chǔ)能材料。他指出，太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的突出問題是電力輸出不穩(wěn)定，對(duì)電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行影響大，因此發(fā)展分散式電能儲(chǔ)存裝備是一項(xiàng)可行措施。

電池材料包括電解液、負(fù)極材料、正極材料、膜材料。鈉硫電池、全釩電池、鋰電池是適合不穩(wěn)定電能儲(chǔ)存的三種主要分散式儲(chǔ)能裝置。為了適合儲(chǔ)能或動(dòng)力性要求，電池要不斷改善材料性能，開發(fā)新材料和新體系電池，如鋰硫電池、鋰空電池。

服務(wù)環(huán)境保護(hù)

治理大氣污染，必須高度重視工業(yè)過程排放氣體中的煙塵、二氧化硫、氮氧化物、微量有機(jī)物的深度脫除。要積極開發(fā)和發(fā)展適合不同溫度環(huán)境的過濾除塵材料，如芳綸、芳砜綸、聚酰亞胺纖維、與纖維織物復(fù)合的多孔聚四氟乙烯薄膜。

脫硝是治理大氣污染的重要措施之一，要重視新型脫硝催化材料的開發(fā)與生產(chǎn)。此外，工業(yè)過程會(huì)出現(xiàn)含有微量有機(jī)物的尾氣排放，汽車尾氣中會(huì)有微量沒有充分燃燒的烴類和一氧化碳。

曹湘洪院士指出，這就需要開發(fā)尾氣凈化材料，包括催化燃燒法脫除工業(yè)排放氣中微量有機(jī)物的高活性催化劑，尤其在低溫下具有良好活性的催化劑；能滿足第五、第六階段汽車尾氣排放要求和低貴金屬含量的汽車尾氣高效轉(zhuǎn)化催化劑及載體。

我國(guó)是水資源十分缺乏的國(guó)家，淡水資源總量為28000億立方米，僅占全球6%，人均占有2200立方米，為世界平均水平的1/4，美國(guó)的1/5，列世界第109位。此外，我國(guó)水資源的時(shí)間空間分布也很不均勻，北方地區(qū)淡水資源只有南方的1/4，全國(guó)有45%的國(guó)土面積年降水量小于400mm，且降水集中在6-9月，屬于干旱缺水地區(qū)，全國(guó)669個(gè)大中城市有400多個(gè)城市常年淡水不足，嚴(yán)重缺水城市有108個(gè)，其中北京人均占有水資源量?jī)H為世界人均的1/13，還不如一些干旱的阿拉伯國(guó)家。

由于我國(guó)人口基數(shù)大，而且正處于工業(yè)化、城鎮(zhèn)化和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程中，再加上原有的粗放式增長(zhǎng)，從而產(chǎn)生了大量的工業(yè)污水、養(yǎng)殖業(yè)污水和生活污水。

曹湘洪院士認(rèn)為，要針對(duì)我國(guó)水體污染的現(xiàn)狀和實(shí)現(xiàn)污水深度處理回用的要求發(fā)展化工新材料。一是發(fā)展處理污水中難降解有機(jī)物和脫除重金屬的材料，包括可見光條件下催化分解廢水中有機(jī)物的石墨烯基催化材料以及可脫除水中重金屬和有機(jī)小分子的納米纖維親和膜；二是開發(fā)與發(fā)展污水高效處理和深度處理的膜材料，例如提高污水處理效率的膜生物反應(yīng)器用膜材料以及對(duì)污水深度處理的高通量、高選擇性的超濾膜、反滲透膜。

塑料袋給人們?nèi)粘Ｉ钐峁┝朔奖悖覀兪褂玫乃芰洗退芰现破方^大部分是用聚苯乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等高分子化合物制成的，難于降解處理，由于隨意丟棄，以致造成城鄉(xiāng)環(huán)境嚴(yán)重污染，即白色污染。

面對(duì)日益嚴(yán)重的白色污染問題，人們希望尋找一種能替代現(xiàn)行塑料性能，又不造成白色污染的塑料替代品，可降解塑料應(yīng)運(yùn)而生。這種新型功能的塑料，其特點(diǎn)是在達(dá)到一定使用壽命廢棄后，在特定的環(huán)境條件下，由于其化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，引起某些性能損失及外觀變化而發(fā)生降解，對(duì)自然環(huán)境無害或少害。

曹湘洪院士表示，開發(fā)生物基可降解高分子材料是消除白色污染的重要途徑，主要有：聚乳酸、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）以及其他利用生物質(zhì)或部分利用生物質(zhì)資源的新型可降解高分子材料，如聚烴基脂肪酸酯（PHA）。

《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》提出，積極開展聚乳酸等生物可降解材料研究，加快實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，推進(jìn)生物基高分子新材料和生物基綠色化學(xué)品產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

重視應(yīng)用技術(shù)開發(fā)

材料的價(jià)值只有通過加工應(yīng)用才能體現(xiàn)，材料的性能只有通過加工應(yīng)用才能得到驗(yàn)證，材料的缺陷只有通過加工應(yīng)用才能發(fā)現(xiàn)，材料質(zhì)量的提升也只有通過加工應(yīng)用才能找到方向。

長(zhǎng)期以來，我國(guó)化工材料加工應(yīng)用技術(shù)研發(fā)投入少，導(dǎo)致加工裝備水平與國(guó)外差距大，材料對(duì)市場(chǎng)不同用途的適應(yīng)性差，品種牌號(hào)少，材料的附加值低。

曹湘洪院士表示，重視加工應(yīng)用技術(shù)開發(fā)，有利于形成材料生產(chǎn)、材料加工、材料加工裝備、材料應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)鏈。

例如支持污水深度處理的膜材料，從技術(shù)開發(fā)的角度包括膜材料技術(shù)、膜制備技術(shù)、膜組件技術(shù)、膜工程設(shè)計(jì)技術(shù)、膜應(yīng)用技術(shù)；從產(chǎn)業(yè)的角度包括膜材料生產(chǎn)、膜制備及制膜裝備、膜組件制造、膜工程設(shè)計(jì)、膜應(yīng)用等環(huán)節(jié)。相應(yīng)的技術(shù)都掌握了，形成污水深度處理的完整的膜產(chǎn)業(yè)鏈，對(duì)保護(hù)水環(huán)境才能起到實(shí)質(zhì)性的支持和服務(wù)作用。

在膜材料應(yīng)用技術(shù)開發(fā)領(lǐng)域，由歸國(guó)學(xué)者創(chuàng)辦于中關(guān)村國(guó)家自主創(chuàng)新示范區(qū)的北京碧水源科技股份有限公司，是中國(guó)膜生物反應(yīng)器（MBR）技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用奠基者。成立十多年來，碧水源不僅通過技術(shù)革新，把污水處理項(xiàng)目裝備化，在工廠里生產(chǎn)環(huán)保設(shè)備，實(shí)施產(chǎn)業(yè)化運(yùn)作，而且研發(fā)出擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的PVDF增強(qiáng)型微/超濾膜、低壓反滲透膜以及MBR技術(shù)，攻克了“膜材料研發(fā)、膜設(shè)備制造和膜應(yīng)用工藝”三大國(guó)際技術(shù)難題。

碧水源公司研發(fā)中心主任陳亦力介紹說，碧水源致力于解決水臟、水少、水安全，已形成集研發(fā)、生產(chǎn)、專業(yè)設(shè)計(jì)、工程應(yīng)用、運(yùn)營(yíng)服務(wù)等為一體的膜產(chǎn)業(yè)鏈，膜產(chǎn)品在數(shù)千項(xiàng)污水資源化工程得以應(yīng)用，主要分布于北京地區(qū)、環(huán)太湖流域、滇池等重點(diǎn)領(lǐng)域，累計(jì)規(guī)模達(dá)到700萬噸/天，占據(jù)國(guó)內(nèi)MBR市場(chǎng)70%以上份額 。

加工應(yīng)用技術(shù)研究，研發(fā)投入大，而材料應(yīng)用企業(yè)規(guī)模一般不大，單個(gè)企業(yè)投入負(fù)擔(dān)重，可以組織同類應(yīng)用企業(yè)與加工裝備制造企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)建立產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，以股份制形式共同出資投入組建研發(fā)團(tuán)隊(duì)，形成共有共享的技術(shù)，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

高濃度難降解有機(jī)廢水的處理，是目前國(guó)內(nèi)外污水處理行業(yè)公認(rèn)的難題。開發(fā)經(jīng)濟(jì)實(shí)用的難降解有毒有害有機(jī)物的廢水處理技術(shù)裝備，較好地解決廢水處理，達(dá)到回用排放標(biāo)準(zhǔn)，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)的歷史意義。

為破解這一環(huán)境難題，山東京魯水務(wù)集團(tuán)公司與中科院生態(tài)環(huán)境研究中心強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高強(qiáng)度、高通量、高截留率、高產(chǎn)水率納濾（NF）膜集成工藝與裝置，深入研究以高產(chǎn)水率NF膜為核心的共性關(guān)鍵預(yù)處理及深度處理技術(shù)體系。

據(jù)了解，目前90%以上的NF膜材料依賴進(jìn)口。納濾膜及組件目前主要用在制藥、染料以及石化、造紙、紡織等眾多產(chǎn)業(yè)的分離與回收，在污廢水回用和安全飲用水凈化領(lǐng)域中的應(yīng)用尚處在發(fā)展階段，預(yù)計(jì)今后會(huì)有更大應(yīng)用前景。