化工新材料產(chǎn)業(yè)對(duì)低碳發(fā)展的影響

黃俊杰(濟(jì)南大學(xué)，山東 濟(jì)南 250024)

0 引言

全世界范圍內(nèi)的二氧化碳排放量最近50年來(lái)出現(xiàn)了逐年增加的趨勢(shì)，2020年全世界范圍內(nèi)的二氧化碳排放量為323億噸，所以讓碳排放減少已成為了現(xiàn)階段必須解決的一個(gè)問(wèn)題[1]。而在低碳發(fā)展進(jìn)程中，化工新材料具有非常重要的作用。本文主要分析了化工新材料產(chǎn)業(yè)對(duì)低碳發(fā)展的影響，希望能為煉化行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展提供參考。

1 新材料產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀分析

新材料具體是指正在發(fā)展或者新進(jìn)發(fā)展的性質(zhì)特殊的功能材料及性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)材料，其品種繁多，從結(jié)構(gòu)組成上可以將其分為先進(jìn)復(fù)合材料、有機(jī)高分子材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、金屬材料等[2]。在新材料中，化工新材料則是非常重要的組成部分之一，是整個(gè)化學(xué)工業(yè)中極具發(fā)展?jié)摿突盍Φ男虏牧?。在我?guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，化工新材料的作用越來(lái)越突出，其應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣泛，無(wú)論是在交通運(yùn)輸方面、新能源方面、醫(yī)療衛(wèi)生方面，還是在航空航天、電子信息以及國(guó)防軍工等方面，化工新材料的應(yīng)用均非常廣泛[3]。

2 化工新材料產(chǎn)業(yè)對(duì)低碳發(fā)展的影響

2.1 可再生原料

(1)通過(guò)生物質(zhì)原料進(jìn)行新材料的生產(chǎn)。我國(guó)具有豐富的生物質(zhì)資源，如：城市生活垃圾、農(nóng)林業(yè)廢棄物等。每年我國(guó)可利用的全部生物質(zhì)資源中，大約有4億噸為農(nóng)業(yè)廢棄物，另外林業(yè)廢棄物也有大約3.5億噸。光合作用為生物質(zhì)原料的主要來(lái)源，是實(shí)現(xiàn)碳匯、對(duì)自然界二氧化碳進(jìn)行吸收的有效途徑之一[4]。植物生長(zhǎng)期間，利用光合作用，每年轉(zhuǎn)化成碳水化合物的二氧化碳大約有2 000億噸，所以，生物質(zhì)材料是一種低碳材料，其二氧化碳排放量非常低，大約為石化基塑料的1/5[5]。不僅生產(chǎn)生物質(zhì)產(chǎn)品的過(guò)程能明顯減少碳排放量，在使用期間也能有效減少碳排放量，通過(guò)不斷增加生物質(zhì)產(chǎn)品的占比，減排優(yōu)勢(shì)也會(huì)更加突出[6]?，F(xiàn)階段，在儲(chǔ)能碳材料、綠色建材、生態(tài)農(nóng)業(yè)及環(huán)境修復(fù)、能源等領(lǐng)域，生物質(zhì)原料得到了廣泛應(yīng)用。在制備碳材料時(shí)，選擇生物質(zhì)材料，將傳統(tǒng)的電池石墨電極所取代，能讓儲(chǔ)能性能明顯提高；在綠色建材方面，新型纖維板、秸稈復(fù)合墻板、木塑復(fù)合材料等發(fā)展現(xiàn)已比較成熟；在生態(tài)農(nóng)業(yè)及環(huán)境修復(fù)方面，生物炭直接還田、生物質(zhì)可降解地膜等技術(shù)現(xiàn)階段已接近實(shí)用化，已得到了小規(guī)模的推廣；在生物航空燃料、生物乙醇、生物柴油等能源方面，生物質(zhì)原料現(xiàn)階段已實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；瘧?yīng)用，而生物質(zhì)原料的碳減排效果也得到了肯定。今后在進(jìn)行化工新材料的生產(chǎn)時(shí)，生物質(zhì)將是非常重要的一項(xiàng)原料來(lái)源。

(2)以二氧化碳為原料生產(chǎn)新材料。①二氧化碳熱化學(xué)轉(zhuǎn)化：在二氧化碳的化工利用途徑中，氫氣在合成甲醛的過(guò)程中具有非常重要的作用，原料選擇“綠氫”，該原料則是利用可再生電力電解水所制作而成的，成為了甲醇合成的一個(gè)新途徑，因?yàn)閷?duì)環(huán)境的友好性更加理想，所以受到了行業(yè)的關(guān)注；環(huán)氧乙烷和二氧

化碳共聚能進(jìn)行碳酸乙烯酯的合成，環(huán)氧丙烷與二氧化碳共聚則能進(jìn)行碳酸丙烯酯的合成，而碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯能生產(chǎn)高分子共聚生物材料、全生物降解材料、二氧化碳基阻燃保溫材料、聚碳酸亞丙酯基水性聚氨酯、聚碳酸亞丙脂多元醇[7]。綜上分析發(fā)現(xiàn)，二氧化碳和環(huán)氧乙烷、環(huán)氧丙烷等反應(yīng)制備可降解塑料、聚碳酸酯等新材料，是將來(lái)二氧化碳應(yīng)用的一個(gè)熱點(diǎn)領(lǐng)域。②二氧化碳電化學(xué)還原：現(xiàn)階段常常采用熱化學(xué)還原法、電化學(xué)還原法、光化學(xué)還原法以及光電催化還原法等來(lái)對(duì)二氧化碳進(jìn)行轉(zhuǎn)化、利用。和其他轉(zhuǎn)化利用技術(shù)相比較，電化學(xué)還原技術(shù)具有比較顯著的優(yōu)勢(shì)，例如能通過(guò)對(duì)電解條件進(jìn)行控制來(lái)對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物進(jìn)行調(diào)控，能合成不同的含碳化合物、具有較高的催化效率，能采用清潔能源，反應(yīng)條件相對(duì)溫和。就算運(yùn)行溫度較低，也能實(shí)現(xiàn)電催化還原二氧化碳的整個(gè)過(guò)程，獲得碳?xì)浠衔铩⒑趸衔锏姆椒ū容^簡(jiǎn)單，作為減排方案的一種，其吸引力非常巨大[8]。通過(guò)高效電化學(xué)反應(yīng)器構(gòu)型、增加二氧化碳?jí)毫?、采用高活性電催化材料等措施，能讓電化學(xué)的還原效率明顯提高。

2.2 新材料固碳作用

(1)高端碳材料。高端化碳材料主要包括了石墨烯、富勒烯、碳納米管以及碳纖維等。利用煤炭、石油、天然氣能生產(chǎn)獲得碳材料，而利用生物質(zhì)原料也能產(chǎn)生獲得碳材料。對(duì)于碳材料來(lái)講，其成分主要為碳元素，在轉(zhuǎn)化化石原料期間，有些碳會(huì)轉(zhuǎn)移到碳材料當(dāng)中，能對(duì)化石原料中的碳去向問(wèn)題進(jìn)行有效解決，為全產(chǎn)業(yè)鏈提供支撐，讓碳排放減少。改性瀝青屬于高等級(jí)道路瀝青之一，在基質(zhì)瀝青當(dāng)中加入各種添加劑，如：磨細(xì)橡膠粉、天然瀝青、高分子聚合物、樹(shù)脂等，進(jìn)而提升產(chǎn)品性能，其固碳量大約為85%。在進(jìn)行高端炭石墨材料的制備時(shí)，中間相瀝青作為前驅(qū)體，不但具有高模量的優(yōu)點(diǎn)，而且其高導(dǎo)熱的優(yōu)勢(shì)也比較突出，可以將其作為制備瀝青碳纖維的原料，無(wú)論是在航天航空方面，還是在尖端工業(yè)方面，其都具有比較理想的應(yīng)用前景。石油焦的固碳量大約為90%，其作為廉價(jià)、優(yōu)質(zhì)的碳源，可用于制備附加值較高的新材料，現(xiàn)階段在電池負(fù)極材料、智能材料、先進(jìn)復(fù)合材料、納米碳化鎢材料等領(lǐng)域中，其應(yīng)用前景非常廣泛[9]。

(2)車(chē)用輕量化材料。選擇輕量化材料不但能讓汽車(chē)的動(dòng)力性明顯提高，而且能降低排放、實(shí)現(xiàn)節(jié)能；相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)減輕汽車(chē)自重，能起到明顯的省油效果，進(jìn)而讓二氧化碳排放量明顯減少。常用的汽車(chē)輕量化材料有玻璃纖維復(fù)合材料、碳纖維復(fù)合材料、工程塑料、合成樹(shù)脂復(fù)合材料、鋁鎂合金以及高強(qiáng)度鋼等。而現(xiàn)階段主要的發(fā)展方向則是“以塑代鋼”?，F(xiàn)階段我國(guó)的車(chē)用塑料消費(fèi)量從整體上表現(xiàn)出不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)，在減少二氧化碳排放、降低油耗、實(shí)現(xiàn)車(chē)體輕量化、“以塑代鋼”等方面，這類(lèi)材料具有非常重要的作用。

(3)新能源材料。①光伏材料：該材料能將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換成電能；太陽(yáng)能電池板的組成一共為5層材料，分別為背板、乙烯與醋酸乙烯酯的共聚物(EVA)、太陽(yáng)能電池片、EVA、光伏玻璃。電池片一般選擇半導(dǎo)體材料，如：非晶硅、多晶硅、單晶硅等。EVA是對(duì)電池片進(jìn)行封裝的一種熱熔膠黏劑，能充分粘結(jié)背板、鋼化玻璃與電池片，提升電性能的輸出。光伏裝置背板材料一般選擇聚氟乙烯復(fù)合膜材料，其耐老化性、阻水性、絕緣性均比較理想，能有效支撐和保護(hù)電池片[10]。②風(fēng)電材料：分析整個(gè)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)現(xiàn)，其上游材料包括了葉片、電纜、主軸、機(jī)艙罩、風(fēng)機(jī)、塔筒，而風(fēng)電機(jī)組在將風(fēng)能向機(jī)械能轉(zhuǎn)化時(shí)，風(fēng)電葉片則是一個(gè)核心的關(guān)鍵部件，在整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)成本中，其成本占比大約為2/10～3/10。從結(jié)構(gòu)方面分析，風(fēng)電葉片的組成包括了表面涂料、基體材料、夾芯材料、增強(qiáng)材料以及結(jié)構(gòu)膠。

(4)碳捕集材料。為了“雙碳”目標(biāo)能有效實(shí)現(xiàn)，相關(guān)行業(yè)也開(kāi)始更加關(guān)注二氧化碳的捕集基礎(chǔ)，而捕集材料的研究和開(kāi)發(fā)也受到了更多關(guān)注。從煙道氣中對(duì)二氧化碳進(jìn)行捕集的常用方法包括固體吸附法、低溫冷凝法、膜分離法、吸收法，現(xiàn)階段使用最成熟、最廣泛的捕集火電廠排放二氧化碳的技術(shù)就是固體吸附劑吸附二氧化碳，該技術(shù)不僅成本低、材料穩(wěn)定性理想，而且回收率高、吸附量大、吸附溫度范圍寬。現(xiàn)階段的吸附材料包括負(fù)載氨基材料、類(lèi)水滑石類(lèi)吸附材料、金屬氧化物及其鹽、金屬有機(jī)骨架材料、沸石、炭基材料等。

2.3 廢棄材料的回收及循環(huán)利用

(1)化學(xué)回收廢棄材料。在努力實(shí)現(xiàn)節(jié)約資源、減少排放的這一過(guò)程中，對(duì)廢棄材料進(jìn)行回收和再利用是非常重要的一項(xiàng)措施。例如廢塑料，可通過(guò)化學(xué)方法、物理方法來(lái)對(duì)其進(jìn)行回收再生。如果廢塑料較為干凈，品類(lèi)單一、價(jià)值高，則可以采用物理方法，然而回收產(chǎn)物卻無(wú)法有效滿(mǎn)足醫(yī)藥、食品等領(lǐng)域的要求。如果廢塑料受污染、價(jià)值低，則可以選擇化學(xué)方法進(jìn)行回收再生。

(2)化學(xué)回收廢塑料的減碳效果。采用化學(xué)方法對(duì)廢塑料進(jìn)行回收再利用，這種措施的減碳作用尤為突出，在產(chǎn)品中對(duì)碳進(jìn)行固化處理，進(jìn)而讓碳排放明顯減少。和焚燒處置相比較，采用化學(xué)回收處置廢塑料，能讓碳排放減少大約50%。

3 發(fā)展化工新材料產(chǎn)業(yè)的措施

3.1 加強(qiáng)煉化轉(zhuǎn)型升級(jí)，轉(zhuǎn)變煉油行業(yè)，促進(jìn)行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展

應(yīng)不斷轉(zhuǎn)變和調(diào)整煉油行業(yè)，實(shí)現(xiàn)煉化的轉(zhuǎn)型升級(jí)，讓整個(gè)行業(yè)能實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的發(fā)展。我國(guó)的成品油消費(fèi)現(xiàn)階段表現(xiàn)出趨緩的特點(diǎn)，但是整個(gè)市場(chǎng)對(duì)新材料的消費(fèi)需求卻比較旺盛，增加下游化工新材料和化工原料的產(chǎn)量，減少油品的產(chǎn)量，不僅是促進(jìn)煉化行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的趨勢(shì)，而且也是促進(jìn)高質(zhì)量發(fā)展的趨勢(shì)。

3.2 加強(qiáng)科技創(chuàng)新

在市場(chǎng)消費(fèi)需求不斷增加以及產(chǎn)業(yè)政策的大力支持下，最近幾年我國(guó)的新材料無(wú)論是在年均增速方面，還是在產(chǎn)量、產(chǎn)能方面，均處于全球前列，然而從整體上進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在世界的產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈當(dāng)中，我國(guó)的化工新材料則處在中低端，現(xiàn)有產(chǎn)品無(wú)論是附加值還是技術(shù)含量，均比較低，和發(fā)達(dá)國(guó)家存在明顯差距，有些新材料因?yàn)榫哂休^高的技術(shù)門(mén)檻，產(chǎn)品的更新?lián)Q代和技術(shù)研發(fā)速度比較緩慢，所以對(duì)這些材料具有較高的對(duì)外依存度。應(yīng)重視試驗(yàn)基地的建設(shè)工作，積極開(kāi)展試驗(yàn)研究，加大投入力度，對(duì)于核心技術(shù)應(yīng)真正地實(shí)現(xiàn)自主掌握，并積極應(yīng)用到工業(yè)化的生產(chǎn)活動(dòng)中，滿(mǎn)足生產(chǎn)需求，讓我國(guó)能在化工新材料領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)高水平科技的自強(qiáng)和自立。除此之外，應(yīng)對(duì)落后產(chǎn)能進(jìn)行淘汰，對(duì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行不斷優(yōu)化和調(diào)整。

3.3 加強(qiáng)協(xié)同創(chuàng)新

新材料產(chǎn)業(yè)不僅具有明顯的基礎(chǔ)性特點(diǎn)，其戰(zhàn)略性特點(diǎn)也非常突出，國(guó)家層面的競(jìng)爭(zhēng)也越來(lái)越突出。分析我國(guó)化工新材料市場(chǎng)的現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段的消費(fèi)需求正表現(xiàn)為不斷增加的趨勢(shì)，同時(shí)國(guó)家也針對(duì)新材料產(chǎn)業(yè)制定一系列的激勵(lì)政策，社會(huì)各界也開(kāi)始更加重視化工新材料，各個(gè)省市也針對(duì)化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展頒發(fā)出臺(tái)了各種規(guī)劃，開(kāi)始重點(diǎn)發(fā)展化工新材料。國(guó)內(nèi)無(wú)論是石油石化企業(yè)，還是科研院所，也開(kāi)始進(jìn)行積極布局，加大投入重點(diǎn)研發(fā)化工新材料；在國(guó)內(nèi)的化工新材料市場(chǎng)中，國(guó)際化工公司以及石油巨頭也越來(lái)越多，新材料也成為了了新建大型石化項(xiàng)目的主要產(chǎn)品線，項(xiàng)目的運(yùn)營(yíng)主體也表現(xiàn)出明顯的多樣化局面。國(guó)家相關(guān)部門(mén)應(yīng)加強(qiáng)規(guī)劃設(shè)計(jì)，將大型的石油石化企業(yè)當(dāng)成是創(chuàng)新的重要戰(zhàn)場(chǎng)，將國(guó)家級(jí)的新材料科研項(xiàng)目當(dāng)成重點(diǎn)，讓生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)、創(chuàng)新投入的主體作用得以充分發(fā)揮，相關(guān)科研院所及高等院校共同參與，促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研用的協(xié)同創(chuàng)新和深度融合，對(duì)石化企業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈短板進(jìn)行有效彌補(bǔ)，促進(jìn)科技成果的有效轉(zhuǎn)化。

3.4 加強(qiáng)人才的培養(yǎng)和引進(jìn)

從化工產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行分析法案，化工新材料還處在末端，大企業(yè)在過(guò)往并沒(méi)有過(guò)多的涉足化工新材料，缺乏高層次的人才，缺乏創(chuàng)新能力，進(jìn)而對(duì)業(yè)務(wù)發(fā)展造成直接影響。對(duì)國(guó)家相關(guān)部門(mén)來(lái)講，應(yīng)超前布局，針對(duì)培養(yǎng)和引進(jìn)高端人才制定科學(xué)的措施，并出臺(tái)相關(guān)的政策文件，積極引進(jìn)海外人才，尤其是專(zhuān)業(yè)性的戰(zhàn)略領(lǐng)軍人才，讓人才短缺的現(xiàn)象得以有效解決。從企業(yè)方面分析，則應(yīng)積極招聘和錄用新材料科技人才，對(duì)現(xiàn)階段的人才隊(duì)伍應(yīng)認(rèn)真做好培養(yǎng)工作，將科研項(xiàng)目當(dāng)成人才培養(yǎng)的載體，讓科技創(chuàng)新機(jī)制、體制得以充分激發(fā)，簡(jiǎn)政放權(quán)、組建團(tuán)隊(duì)，對(duì)人才待遇進(jìn)行合理調(diào)整和提升，讓其創(chuàng)新活力得以充分激發(fā)，促進(jìn)科研成果的有效轉(zhuǎn)化，使煉化行業(yè)有效實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型和升級(jí)。

4 結(jié)語(yǔ)

減少二氧化碳排放、實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)進(jìn)程中，化工新材料具有非常重要的作用；針對(duì)我國(guó)化工新材料市場(chǎng)今后的需求態(tài)勢(shì)，應(yīng)在技術(shù)研發(fā)方面加大投入，突破技術(shù)瓶頸，讓自主產(chǎn)品能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，讓我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的實(shí)際需求得以充分滿(mǎn)足，以促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的綠色低碳發(fā)展。