華南理工大學(xué)：破解技術(shù)難題 支撐VOCs治理工程

文/潘慧 吳幸雷

[導(dǎo)語(yǔ)]

近年來(lái)，華南理工大學(xué)不斷加大科技改革力度，創(chuàng)新科技管理體制機(jī)制，高度重視基礎(chǔ)研究及應(yīng)用基礎(chǔ)研究，積極促進(jìn)各學(xué)科交叉融合，大力推進(jìn)科技成果轉(zhuǎn)化，涌現(xiàn)出一大批在國(guó)際國(guó)內(nèi)有重大影響的高水平科技創(chuàng)新成果。今年，華南理工大學(xué)“大風(fēng)量低濃度工業(yè)揮發(fā)性有機(jī)物污染治理策略與關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”項(xiàng)目榮獲2020年度廣東省科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

華南理工大學(xué)是直屬教育部的全國(guó)重點(diǎn)大學(xué)，1995年進(jìn)入“211工程”行列，2001年進(jìn)入“985工程”行列，2017年入選“雙一流”建設(shè)A類(lèi)高校名單，2020年在“世界大學(xué)學(xué)術(shù)排名”中排名第151~200位。學(xué)校以雄厚的原始科研創(chuàng)新能力推動(dòng)一流大學(xué)建設(shè)，建有27個(gè)國(guó)家級(jí)科研平臺(tái)、185個(gè)部省級(jí)科研平臺(tái)，數(shù)量位居全國(guó)高校前列、廣東高校首位。學(xué)校大力推進(jìn)科技成果轉(zhuǎn)化，自2009年以來(lái)，以第一專(zhuān)利權(quán)人獲獎(jiǎng)總數(shù)達(dá)到38項(xiàng)（含2金3銀），專(zhuān)利獲獎(jiǎng)總數(shù)排名全國(guó)高校首位。

今年，華南理工大學(xué)又新添創(chuàng)新成果——“大風(fēng)量低濃度工業(yè)揮發(fā)性有機(jī)物污染治理策略與關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”項(xiàng)目榮獲2020年度廣東省科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。作為項(xiàng)目牽頭單位，華南理工大學(xué)與廣州同勝環(huán)保科技有限公司、廣東省環(huán)境科學(xué)研究院、廣州艾爾環(huán)保工程有限公司、深圳市富可森環(huán)?？萍脊煞萦邢薰竞蛷V東敦誠(chéng)環(huán)?？萍加邢薰镜拳h(huán)保專(zhuān)業(yè)治理公司及研究機(jī)構(gòu)長(zhǎng)期合作，建立了緊密的合作關(guān)系，共同完成了本項(xiàng)目的研發(fā)和技術(shù)應(yīng)用工作。項(xiàng)目研發(fā)過(guò)程中，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)邊工作邊發(fā)展，形成了一支高水平的研發(fā)和工程應(yīng)用隊(duì)伍，在國(guó)內(nèi)產(chǎn)生較大影響。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人葉代啟教授重點(diǎn)專(zhuān)注于工業(yè)有機(jī)廢氣技術(shù)政策與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范研究、污染控制技術(shù)及裝備研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化工作，是國(guó)內(nèi)大氣污染治理領(lǐng)域知名的專(zhuān)家學(xué)者，擔(dān)任華南理工大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院院長(zhǎng)，兼任中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)常務(wù)理事，中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)揮發(fā)性有機(jī)物控制專(zhuān)業(yè)委員會(huì)常務(wù)副主任委員兼秘書(shū)長(zhǎng)，揮發(fā)性有機(jī)物污染治理技術(shù)與裝備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室主任,大氣環(huán)境與污染控制廣東省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任等。

協(xié)作創(chuàng)新出成果 治污技術(shù)達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平

珠三角作為全國(guó)大氣污染治理的先行示范區(qū)，在全國(guó)最早面臨臭氧和細(xì)顆粒物復(fù)合污染的問(wèn)題，其中揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）是造成復(fù)合性大氣污染的重要前體物，也是來(lái)源最廣泛、成分最復(fù)雜的污染物。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)針對(duì)VOCs的最主要來(lái)源——工業(yè)源中普遍排放的廢氣——大風(fēng)量低濃度有機(jī)廢氣，開(kāi)展詳細(xì)的污染來(lái)源與排放特征分析，想辦法“摸清底數(shù)”，對(duì)現(xiàn)有污染治理技術(shù)和材料進(jìn)行全面評(píng)估；在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)高效的VOCs凈化材料、技術(shù)，進(jìn)而研制成套裝備，在污染排放的汽車(chē)、電子、家具、家電、印刷等重點(diǎn)行業(yè)廣泛進(jìn)行技術(shù)應(yīng)用，取得了顯著的社會(huì)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益；此外還編制了多個(gè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，成功打通了從科學(xué)認(rèn)知規(guī)律到控制技術(shù)研究再到成套設(shè)備設(shè)計(jì)和應(yīng)用模式的鏈條，研究成果總體達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

科研團(tuán)隊(duì)選擇大風(fēng)量低濃度工業(yè)揮發(fā)性有機(jī)物污染治理作為課題的研究方向，是我國(guó)大氣污染治理進(jìn)程的現(xiàn)實(shí)需求，繼除塵、脫硫、脫硝工作取得顯著進(jìn)展后，VOCs治理已成為我國(guó)大氣治理的短板。華南理工大學(xué)是國(guó)內(nèi)最早開(kāi)展VOCs治理的研究機(jī)構(gòu)之一，具有良好的技術(shù)和人才儲(chǔ)備，2011年獲批建設(shè)廣東省大氣環(huán)境與污染治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，2016年國(guó)家發(fā)改委批準(zhǔn)建設(shè)揮發(fā)性有機(jī)物污染治理技術(shù)與裝備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，為我國(guó)和我省VOCs治理提供重要技術(shù)支撐。

華南理工大學(xué)“分散收集-移動(dòng)、集中銷(xiāo)毀”新模式及其設(shè)備

該項(xiàng)目著眼VOCs治理的難點(diǎn)——工業(yè)大風(fēng)量低濃度有機(jī)廢氣治理，科學(xué)分析了現(xiàn)有技術(shù)問(wèn)題，提出要針對(duì)VOCs 排放特征不明、治理關(guān)鍵材料性能參差不齊、處理效率低費(fèi)用高、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范缺失等四大問(wèn)題開(kāi)展科技攻關(guān)，以“污染識(shí)別－關(guān)鍵技術(shù)－應(yīng)用模式－防控策略”研究為主線，歷時(shí)13年，在功能材料、核心裝備上突破關(guān)鍵技術(shù)，在重點(diǎn)企業(yè)、片區(qū)和行業(yè)中規(guī)?；_(kāi)展大風(fēng)量、低濃度VOCs廢氣的工程實(shí)踐和防控策略研究，取得創(chuàng)新成果。

一是首次提出基于源頭追蹤法建立我國(guó)及廣東省長(zhǎng)時(shí)間序列（1980—2019年）VOCs排放清單，識(shí)別出以大風(fēng)量、低濃度為主要排放特征的工業(yè)涂裝、包裝印刷等重點(diǎn)行業(yè)；形成VOCs控制材料、技術(shù)和裝備綜合評(píng)價(jià)方法，建立分行業(yè)VOCs差異化控制技術(shù)路線。

二是研制系列高疏水性/大吸附容量的多級(jí)孔吸附材料，其中新型活性碳纖維在高濕度下吸附容量達(dá)到普通產(chǎn)品的3~4.5倍，風(fēng)阻降低30%~40%；研制基于晶體缺陷工程制備高性能低負(fù)載量催化材料，甲苯90%轉(zhuǎn)化溫度低至143℃，突破了大風(fēng)量低濃度VOCs吸附和催化材料實(shí)用性能不足的技術(shù)難題。

三是研制出組合式預(yù)處理、低阻力吸附與新型蓄熱催化（燃燒）等VOCs處理成套裝備；建立“分散吸附-移動(dòng)/集中銷(xiāo)毀”整體治理新模式，攻克了大風(fēng)量低濃度VOCs處理投資成本高、運(yùn)行費(fèi)用高的應(yīng)用瓶頸。

四是構(gòu)建“排放標(biāo)準(zhǔn)－技術(shù)選擇－裝備應(yīng)用”全鏈條的標(biāo)準(zhǔn)體系，為廣東與全國(guó)重點(diǎn)工業(yè)VOCs治理提供技術(shù)支持。項(xiàng)目制訂標(biāo)準(zhǔn)11項(xiàng)（國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)2項(xiàng)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)5項(xiàng)和地方標(biāo)準(zhǔn)4項(xiàng)），支撐出臺(tái)國(guó)家政策6項(xiàng)、廣東省政策5項(xiàng)；申請(qǐng)專(zhuān)利72件，其中已授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利32件；發(fā)表學(xué)術(shù)論文185篇（中文核心論文89篇、英文論文96篇）；出版專(zhuān)著和科普讀物各1本。研究成果獲得2011年中國(guó)優(yōu)秀專(zhuān)利獎(jiǎng)、2017年全國(guó)專(zhuān)利展覽金獎(jiǎng)。

開(kāi)創(chuàng)新型治理模式 成果推廣應(yīng)用示范

該項(xiàng)目前期研制了多款高性能材料與設(shè)備，如高疏水性/大吸附容量的多級(jí)孔吸附材料和高活性/超低負(fù)載的催化材料等高效材料，以及低阻力吸附設(shè)備與改進(jìn)蓄熱催化（燃燒）高效設(shè)備等，項(xiàng)目成果推廣至全國(guó)，應(yīng)用案例超過(guò)300項(xiàng)，涉及汽車(chē)涂裝、鋁型材、鋼結(jié)構(gòu)、電子電器、涂料等。在國(guó)內(nèi)最早提出“分散吸附-移動(dòng)/集中銷(xiāo)毀”模式并在廣東貴嶼國(guó)家循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)園示范應(yīng)用。成果累計(jì)產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益達(dá)5.2億元，間接經(jīng)濟(jì)效益達(dá)100多億元，減排VOCs達(dá)184.75萬(wàn)噸，VOCs治理工程保障了近200家企業(yè)的正常生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)和相關(guān)成果還直接服務(wù)于青島上合峰會(huì)等重大活動(dòng)的空氣質(zhì)量保障工作。

盡管完成了多個(gè)應(yīng)用，證明了該項(xiàng)目具有良好的凈化性能，但限于市場(chǎng)上技術(shù)差異化大且企業(yè)治理意愿普遍存在低價(jià)競(jìng)爭(zhēng)，因此項(xiàng)目成果推廣應(yīng)用難度很大。為此，項(xiàng)目組首先向生態(tài)環(huán)境主管部門(mén)提出建議，通過(guò)規(guī)范 VOCs治理市場(chǎng)，開(kāi)展現(xiàn)有VOCs治理技術(shù)與治理設(shè)備的評(píng)估，加強(qiáng)監(jiān)管力度，淘汰低效技術(shù)與設(shè)備；其次，根據(jù)行業(yè)特性，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)模塊化凈化材料與設(shè)備，降低投資和運(yùn)行費(fèi)用。最重要的是，提出了“分散吸附-移動(dòng)/集中銷(xiāo)毀”新型治理模式，研制標(biāo)準(zhǔn)化的凈化設(shè)備，在各企業(yè)安裝標(biāo)準(zhǔn)化的吸附設(shè)備；另外，由第三方投資建設(shè)移動(dòng)或者固定式再生設(shè)備，對(duì)各企業(yè)的吸附設(shè)備定期進(jìn)行再生。這種模式可以降低企業(yè)投資成本50%以上，降低運(yùn)行成本30%～50%。

該模式在廣東貴嶼進(jìn)行了示范應(yīng)用，實(shí)施了全世界最大的廢棄電器電子產(chǎn)品拆解地——汕頭市潮陽(yáng)區(qū)貴嶼循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)園區(qū)某廢棄機(jī)電產(chǎn)品拆解利用有限公司有機(jī)廢氣治理工程。但因拆解工序中產(chǎn)生含油、重金屬及臭味的煙霧廢氣，導(dǎo)致處理難度大。比如，前期園區(qū)建設(shè)了8套處理設(shè)備，由于缺乏針對(duì)性設(shè)計(jì)，拆解樓周邊異味依然明顯，附近學(xué)校及群眾投訴強(qiáng)烈。2015年，園區(qū)邀請(qǐng)了3家專(zhuān)業(yè)治理公司帶資開(kāi)展示范工程建設(shè)，其中包括該項(xiàng)目的“消石灰噴吹+布袋除塵器+吸附床”工藝，工程完成建設(shè)并運(yùn)行后，結(jié)果表明該示范工程排放遠(yuǎn)低于排放標(biāo)準(zhǔn)，采用的工程工藝路線成熟穩(wěn)定，抗負(fù)荷波動(dòng)能力強(qiáng)，對(duì)廢氣中的各項(xiàng)污染物都能有效控制。園區(qū)同意推薦該團(tuán)隊(duì)承接拆解電路板有機(jī)廢氣后續(xù)治理項(xiàng)目，其后，陸續(xù)完成了18套凈化設(shè)備的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)，工程總投資超過(guò)5000萬(wàn)元。

持續(xù)研發(fā) 探索更全面有效的VOCs治理技術(shù)

在此次獲獎(jiǎng)的“大風(fēng)量低濃度工業(yè)揮發(fā)性有機(jī)物污染治理策略與關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，科研團(tuán)隊(duì)始終不懈致力于發(fā)展更新、更有效、更全面的VOCs防控技術(shù)路線、控制治理材料以及技術(shù)。從該項(xiàng)目結(jié)束至今，科研團(tuán)隊(duì)在各個(gè)方面的研究均取得了一定的突破。

在VOCs排放清單和防控監(jiān)管路線研究方面，先后開(kāi)展了“十三五”“十四五”VOCs總量控制與管控路線研究，為我國(guó)制定基于環(huán)境影響的VOCs控制策略提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

在創(chuàng)新、創(chuàng)制大吸附容量的VOCs吸附材料方面，研究團(tuán)隊(duì)目前從制備方法上進(jìn)行了創(chuàng)新和改良，在保證大吸附容量的性能下，研發(fā)更綠色、更經(jīng)濟(jì)、更環(huán)保的吸附材料。如，采用生物質(zhì)廢棄物制備高比表面積活性炭，實(shí)現(xiàn)碳的高效高值利用。

研究團(tuán)隊(duì)在獲獎(jiǎng)項(xiàng)目基礎(chǔ)上繼續(xù)研發(fā)了包括MOFs、氧化錳、貴金屬負(fù)載型催化劑等系列材料，不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)甲苯的低溫轉(zhuǎn)化，進(jìn)一步嘗試揭示反應(yīng)機(jī)理，對(duì)于設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)新型催化氧化VOCs催化劑具有科學(xué)指導(dǎo)意義。此外，研究團(tuán)隊(duì)還研發(fā)了吸附儲(chǔ)存-原位銷(xiāo)毀法，對(duì)碳平衡以及CO2選擇性有著較大的提高。

在習(xí)近平總書(shū)記提出實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的戰(zhàn)略背景下，研究團(tuán)隊(duì)接下來(lái)計(jì)劃以降碳為重點(diǎn)戰(zhàn)略方向，推動(dòng)減污降碳協(xié)同增效技術(shù)研發(fā)，設(shè)計(jì)各行業(yè)的減排路徑，分析各行業(yè)的排放水平，以期為我國(guó)VOCs減排與降碳協(xié)調(diào)的管控提供技術(shù)支撐。

華南理工大學(xué)研發(fā)的基于晶體缺陷工程理論的低溫高活性催化劑

提高自主創(chuàng)新能力 推動(dòng)科技創(chuàng)新進(jìn)步

創(chuàng)新是高校教育中的一大挑戰(zhàn)，同時(shí)也是高校的一種社會(huì)責(zé)任。高校的創(chuàng)新作用體現(xiàn)在方方面面，既包括對(duì)創(chuàng)新課題的研究，更包括對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新教育——培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新文化、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識(shí)。高校經(jīng)常研究和探索新的課題和領(lǐng)域，往往會(huì)誤將課題研究等同于實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新。但只有將課題和世界科技前沿、經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)、國(guó)家重大需求、人民生命健康結(jié)合起來(lái)，聯(lián)合企業(yè)進(jìn)行孵化，讓科研成果轉(zhuǎn)為實(shí)際應(yīng)用、讓科研成果實(shí)實(shí)在在落地、讓科研成果應(yīng)用于社會(huì)并產(chǎn)生社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，進(jìn)而提高社會(huì)生產(chǎn)力，高校的創(chuàng)新作用和價(jià)值才得以真正的體現(xiàn)。例如，項(xiàng)目組與數(shù)十家VOCs專(zhuān)業(yè)治理公司開(kāi)展了各種形式的技術(shù)合作，其中實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)性項(xiàng)目合作的超過(guò)20家，合作內(nèi)容涉及技術(shù)開(kāi)發(fā)、設(shè)備設(shè)計(jì)、工藝方案設(shè)計(jì)、工程設(shè)計(jì)、檢驗(yàn)檢測(cè)等，包括行業(yè)內(nèi)知名的環(huán)保公司，如北京雪迪龍科技股份有限公司、河北先河環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?、聚光科技股份有限公司等，實(shí)現(xiàn)從小試、中試和產(chǎn)業(yè)化全過(guò)程研發(fā)，提高自主創(chuàng)新能力。

此外，依托中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)揮發(fā)性有機(jī)物污染防治專(zhuān)業(yè)委員會(huì)，項(xiàng)目組舉辦多場(chǎng)大型行業(yè)交流會(huì)議，分享了我國(guó)揮發(fā)性有機(jī)物污染控制領(lǐng)域的需求、策略、最新成果與前瞻；同時(shí)，編寫(xiě)環(huán)保科普讀物，引導(dǎo)人們樹(shù)立正確的環(huán)境保護(hù)觀念，積極參與到實(shí)際行動(dòng)中。

廣東省作為改革開(kāi)放前沿大省，近年來(lái)為加快提升自主創(chuàng)新能力、建設(shè)創(chuàng)新型廣東，積極建立健全創(chuàng)新激勵(lì)機(jī)制，完善自主創(chuàng)新政策體系，優(yōu)化創(chuàng)新政策環(huán)境，對(duì)我國(guó)的科技創(chuàng)新起到了極大的促進(jìn)作用。特別是在2017年后，國(guó)家將打造具有全球影響力的國(guó)際科技創(chuàng)新中心確定為粵港澳大灣區(qū)建設(shè)的戰(zhàn)略定位之一，廣東省人民政府于2019年發(fā)布的“科創(chuàng)12條”更是打開(kāi)了廣東省科技創(chuàng)新的新局面。目前廣東省整體創(chuàng)新環(huán)境對(duì)于科技創(chuàng)新進(jìn)步的推動(dòng)作用是十分利好的。

對(duì)于進(jìn)一步加快建設(shè)更高水平科技創(chuàng)新強(qiáng)省，華南理工大學(xué)建議繼續(xù)加強(qiáng)科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)的緊密結(jié)合，優(yōu)化人才協(xié)同機(jī)制，聯(lián)合粵港澳大灣各地的政府、高校、科研機(jī)構(gòu)、高新技術(shù)企業(yè)等形成創(chuàng)新發(fā)展智庫(kù)，最大化地利用創(chuàng)新人才和創(chuàng)新研究成果，最后實(shí)現(xiàn)落地，繼續(xù)推動(dòng)廣東省科技創(chuàng)新進(jìn)步。