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绿色铺就化工新底色——走进中国科学院绿色过程与工程重点实验室
2020-10-19 |     【关闭窗口】
    

  来源:中国科学报

  高温、废水、废气、剧毒物质……还在“谈化色变”?你out了!科学家开发的先进绿色过程与工程科学技术,魔法般为化学工程铺就一碧千里的新底色。

  多年来,依托中国科学院过程工程研究所(以下简称过程所)建立的中国科学院绿色过程与工程重点实验室(以下简称绿色室)致力于开展绿色化学与工艺、绿色反应工程、绿色分离工程和绿色过程系统集成的应用基础和工程研究。

  “我们一直围绕着化工放大规律的研究,把实验室的绿色工艺和技术转移到工业生产,最终实现化工过程的绿色化。”绿色室主任刘会洲研究员告诉《中国科学报》。

  从自然科学奖到科技进步奖

  今年1月10日,绿色室常务副主任、研究员杨超参与的“芯片用超高纯电子级磷酸及高选择性蚀刻液生产关键技术”,被授予2019年度国家科技进步奖二等奖。

  手捧证书,烫金国徽下方的“科技进步”几个字让杨超感慨万千。“经过几十年时间,我们的基础科学研究成果终于走出实验室、走进工业生产现场,真正让科学技术成为了生产力。”他向《中国科学报》表示。

  一纸证书凝聚着几代人的努力。上世纪90年代,经过中国科学院院士陈家镛等学者的不断开拓,湿法冶金已在生产有色金属方面为国家创造了巨大财富。作为化工出身的学者,陈家镛始终强调化学工程作为学科基础的重要性。

  受前辈的启发,杨超也一直在思考,如何将研究论文中的成果真正用在生产中。

  化工、冶金和生物反应器放大是实验室到生产的必经之路,关系到能否减少副产物、简化流程和降低分离负担等方面。鉴于国内外普遍使用传统的逐级试验和经验放大方法,成本高、周期长,从小试到模型模拟再到工业化的数值放大技术成为更理想的方法。

  2003年,杨超和研究员毛在砂接到了一家石化企业关于改进反应搅拌器的任务,这是他们第一次直面生产中的真问题。在扎实的理论研究基础上,他们花了一星期时间,提出了新的反应器构型改造方案,顺利完成了任务。

  2007年,又有企业前来求助。他们又在短短一个月内,在原有空间条件不变的情况下,通过改变反应器内部结构,实现了物料处理量增大1倍的放大效果,为企业解决了瓶颈问题,节约了大量的设备投资。

  杨超和同事一次又一次用理论知识解决工程现实困难,在相关企业中逐渐建立了良好的口碑。

  经过多年生产实践,2009年,陈家镛、毛在砂、杨超等研究人员在“多相体系的化学反应工程和反应器的基础研究及应用”上取得的成果获得国家自然科学奖。

  不仅如此,他们致力于将反应器数值放大核心共性技术在不同行业推广。一系列新技术在医药、石化和精细化工等领域的多家企业中应用,新增利税约10亿元,被授予2015年度国家技术发明奖二等奖。

  在2019年获得的国家科技进步奖中,他们发挥了2009年国家自然科学奖二等奖项目中的沉淀化工数学模型及数值模拟的理论优势,用数值模拟技术对关键反应器进行定量分析和优化,设计出新型反应器及组合反应设备,有效强化了反应器内混合、传质和传热,实现了从工业黄磷制备杂质含量10-9量级的超高纯电子级磷酸,帮助企业生产出芯片用高端磷酸系蚀刻液。

  “这突破了芯片用超高纯电子级磷酸和高选择性蚀刻液的进口替代难题,是解决国家化学和电子工业重大战略需求的成果。”令人欣慰的是,产品已经销往国内外知名电子企业,推动了我国芯片制造等高新技术产业的发展。

  在杨超看来,从自然科学奖到技术发明奖、再到科技进步奖的历程,勾勒出从基础研究取得突破到解决核心技术、再应用到国家急需领域的清晰脉络。

  “几十年来,我们做的工作就是搭建从实验室到工业应用的桥梁。”刘会洲强调,“这个定位一直没有改变。”

  “必须有自己的一把刀”

  “大家必须得有自己的‘一把刀’。”刘会洲经常把这句话挂在嘴边,提醒科研人员要从科学上形成有独特优势的研究方向。“这把‘刀’可以用来‘切’不同的东西,可能今天切水果,明天切蔬菜。”

  例如,微乳相萃取技术就是刘会洲手中的一把锋利的“刀”。上世纪80年代末,针对我国青霉素等抗生素生产过程中破乳剂的科学难题,他带领团队开发新型破乳剂,显著降低了抗生素生产的成本。新乳化剂的使用使我国在青霉素生产方面处于国际领先地位。同时,在化工分离方面,提出利用微乳相制备超顺磁性纳米载体的新方法和萃取分离的新技术,应用于金属分离和生物产品的分离纯化等过程。该技术获2014年国家技术发明奖二等奖。

  亚熔盐技术则是另一项关键核心技术。上世纪90年代末,过程所研究员、中国工程院院士张懿带领团队在国际上首次提出了“亚熔盐”的概念。这是一种碱金属盐的高浓水溶液,介于溶液和熔融之间的状态,被认为是一种非常规的、临界状态的化学反应介质。

  独辟蹊径地提出全新概念后,科研人员从原理上发现,亚熔盐在反应过程中能够提供高化学活性和高活度氧负离子,这是其发挥作用的关键——这将为在温和条件下高效转化金属矿产资源、实现资源高效清洁利用与源头污染控制提供可能性。

  “亚熔盐技术是我们的‘看家本领’。”过程所研究员李会泉告诉《中国科学报》。近30年来,他们不仅在亚熔盐技术的基本理论上不断取得突破,还将这些理论发展成共性技术,应用到铬、铝、钒等多种金属的高效清洁生产中。

  2007年至2017年,在两次国家973计划项目支持下,科研人员对亚熔盐介质为何能转化钒铬、如何转化等科学问题开展研究,建立以“气泡纳微化”为代表的一系列以活性氧调控为核心的矿物转化新方法。其间陆续完成了公斤级扩试和千吨级中试。

  2017年6月,世界首条钒渣亚熔盐法清洁提钒生产线竣工投产。据研究团队与河钢集团的计算结果,新技术推广后,可每年从源头削减承德地区废气1.5亿立方米、重金属渣30万吨、高盐氨氮废水100万吨,为我国大宗特色高铬型钒钛磁铁矿开发利用提供了有效的解决方案。

  如果说亚熔盐是一种无机介质,那么同类型的有机介质则被称为“离子液体”。这是一种使用温度下可呈现液态的液态盐,是新一代绿色介质和功能材料,为创造物质转化的反应/分离新体系提供了新机遇。

  1990年,现任过程所所长、中国科学院院士、绿色室副主任张锁江还在国外一家企业工作,他偶然接触到离子液体这一全新概念。当时,全球科学家已围绕这一新概念开展了诸多研究,但距离工业化还有很长的路要走。

  2001年回国后,张锁江加入过程所,开始组建团队对离子液体全方位“刨根问底”。多年来,他带领团队揭示了离子液体氢键特殊性、网络结构及构效关系,形成了功能化离子液体的设计方法,同时建立了离子液体传递/反应原位研究方法,阐明了其结构对工程放大的影响规律。这些工作推动中国离子液体的基础研究引领世界。

  深入的前沿科学研究打磨好“离子液体”这把“刀”,研究团队又进一步推动离子液体的工业化应用。

  围绕二氧化碳的转化,他们利用离子液体具有的高效催化活化小分子的独特性能,实现用离子液体催化二氧化碳转化并制备二甲酯(DMC)联产乙二醇(EG)技术成果工业化应用。2019年,他们与企业合作研发并建成世界首套万吨级工业装置,有效减少碳排放、降低生产成本。

  在张锁江的眼里,科学研究绝不应止步于“发发论文”,更重要的是迈出从科学到工程这一步。这正是他极力倡导的基础和应用紧密结合的创新模式。

  给“后浪”一片海洋

  过程所研究员李望良难忘那段“蹭座位”的时光。2017年,他在新加坡完成博士后工作后加入过程所,开始张罗启动科研。由于实验场地紧张,很长一段时间,他都没有自己的办公室。

  刘会洲把课题组的办公室借给了李望良。“当时每天在刘老师课题组蹭座位。”李望良说。

  当然,实验室给他的绝非一张办公桌。为鼓励青年科研人员开展创新研究,积极探索学科前沿,增强探索性、原创性科技创新能力,绿色室每年都会部署“自由探索项目”。

  李望良在这一项目资助下迈出了独立科研的第一步。如今,他已经组建起一个小团队,在生物质能源等方面取得不俗成绩。

  实验室历来有“帮扶带”的传统,对于刚刚起步的年轻人,在关键时刻给予支持,帮助他们坚定献身科研的决心。

  “帮扶带”的传统源自于陈家镛。他在学术上、工作上乃至生活上对后辈的全方位提携和呵护,成为许多人一生的美好回忆和宝贵财富。2019年8月,陈家镛去世后,学生们在多篇纪念文章中回忆起一个个小故事:他把重要的任务交给学生承担,帮助他们在任务攻关中成长;根据各自的兴趣推荐他们到美国、欧洲、新加坡的研究机构深造学习;用自己的收入给大家发“奖金”,给学生的小女儿送卡通书包……

  前辈的“帮扶带”,给“后浪”提供了一片可以自由翻滚的“海洋”。

  过程所“80后”研究员杨良嵘就是其中之一。她师从刘会洲研究员,2010年毕业后留所工作,申请到绿色室部署的青年基金启动科研。“刚开始什么都没有,有资助和没有资助完全是两个概念!”她说。

  随后,刘会洲让她承担自然科学基金重点项目、科技部973子课题等大任务。她的体会是,“做下来很累,但收获很大。”

  2014年,杨良嵘获得美国李氏基金会资助,赴麻省理工学院进行为期1年的访学。这个机会也得益于实验室从上世纪80年代开始与李氏基金会的合作关系,基金会每年资助两名青年科研人员出国交流1年。

  目前,杨良嵘正在用固相萃取、磁分离等核心技术研究纳豆激酶等生物产品高附加值蛋白质的分离和检测。“我们年轻人就要打开‘脑洞’,坚持做有用的东西。”这是她对自己的要求。

  多年来,绿色室培养并稳定了一批能承担攻坚任务的青年才俊。据统计,实验室40岁以下人员占实验室总人数的68.2%。

  刘会洲期待,实验室提供的平台能够让“后浪”们在绿色过程与工程领域开创一片新天地。

  陈家镛院士(中)与毛在砂(左)、杨超

  张懿院士在河钢集团现场

  刘会洲作学术报告

  世界首套5万吨钒渣亚熔盐低温提取工艺,与传统高温焙烧工艺相比,钒收率提高10%,首次实现铬回收,收率达80%

  新型三液相连续萃取装置

  气助超顺磁分离工艺设备,解决了工业放大的难题

  杨超(左一)与科研人员在实验室

  李望良(左)在研究中

 

  实验室小故事

  家国情怀代代传承

  过程所工程师孙和云是一位普通成员。在过程所研究员阮仁满的带领下,她和同事们远赴缅甸蒙育瓦铜矿现场,从实验室摇瓶试验、柱浸试验,最终升级放大到工业试验,为工业应用提供可靠的工程依据。与传统采矿工艺相比,新工艺大幅降低了酸的释放量,极大减轻了铜矿开采的环境保护压力。

  对年轻的孙和云而言,第一次深刻理解“家国情怀”四个字的内涵,是在2017年远赴缅甸蒙育瓦铜矿出差的途中。

  那时,她的女儿刚刚1岁4个月。临走时,趁女儿还在熟睡,孙和云轻轻亲吻了小家伙的脸蛋,满怀不舍地拖着行李箱出了门。

  直到今天,她仍然对这场分离记忆犹新。

  初次参与千吨级的大规模试验,孙和云在铜矿的工作并没有想象中顺利。炎炎烈日下,不顾高温炙烤,她爬上矿堆实地考察,研究分析入堆矿石性质、矿石类型、矿石粒度、布液条件等对铜浸出、酸铁平衡的影响。

  中国工程院院士张懿则是实验室所有科研人员的榜样。在榜样力量的激励下,孙和云逐渐意识到远赴缅甸开展这些工作的重要意义——为我国的铜资源供应提供了保障,用科技创新助力“一带一路”倡议。而正是在这样的宏大叙事中,孙和云能够暂时放下对女儿的思念和担忧,带着“家国情怀”全身心投入。

  “张懿院士80多岁的高龄依然坚守在科研工作岗位上,我们年轻人还有什么理由不努力?”孙和云常常鼓励自己。

  2019年6月,张懿80岁生日之际,过程所所长、中科院院士张锁江撰写了一篇文章,饱含深情地写道:“张院士已是一位白发苍苍的老人,却依旧兢兢业业地奋战在科技创新第一线,我常想,是什么样的力量支撑着她,让这位老人能够数十年如一日地耕耘、奉献、付出着,我想这必是科技报国的坚定信念,才能心无旁骛,始终坚持!”

  “最近张老师跟我提到‘路易斯酸碱理论’在矿物的清洁利用过程中应该得到重视。”过程所研究员李会泉经常去找张懿请教,“她总觉得国家给予她太多,而她能回报的太少,所以要尽自己最大的努力去奉献。”

  老一辈科学家的家国情怀和科学精神正像家风一样,自然而然地影响着一代代科研人员。

  “我们的科研必须要面向国家重大需求,牢记绿色发展理念,以解决共性关键科技难题为核心,用绿色铺就化工新底色。”张锁江表示。

 

  中国科学院绿色过程与工程重点实验室简介

  中国科学院绿色过程与工程重点实验室(以下简称绿色室)依托中科院过程工程研究所,于2008年被批准升级为中国科学院重点实验室。

  实验室定位为:面向国家资源、环境、能源等工业重大战略需求,以原子经济性的绿色反应/分离过程强化研究为核心,开展绿色化学与工艺、绿色反应工程、绿色分离工程和绿色过程系统集成的应用基础研究。

  实验室围绕绿色过程与工程中的核心科学问题,进行从基础到应用再到工程研究的全过程开发。

  以重大工程项目为依托,从分子水平研究资源高效转化利用及绿色过程与工程的共性规律,建立清洁生产技术集成平台,致力于解决与国民经济和社会发展密切相关的绿色化学化工基础理论和核心技术难题。

  目前,实验室布局了新介质与绿色工程,绿色反应和分离工程,绿色湿法冶金、环境技术与工程等方向。

  中国科学报刊登版面

  (中国科学报记者:甘晓)

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