化工材料何處去

海川

“化石能源消耗增長快、環境污染日趨嚴重是我國經濟發展中的突出問題，發展化工新材料產業要為支持節能減排、服務環境保護做貢獻。”中國工程院化工、冶金與材料工程學部主任，中國工程院院士曹湘洪在1月10日舉行的“材料產業與環境保護研討會”上如是說。

進入21世紀，我國經濟快速發展，并于2010年躍升為世界第二大經濟體，與此同時，能源消費量也迅猛增長。據統計，2002年我國的國內生產總值（GDP）為12.03萬億元，2013年已超過56.8萬億元；2002年我國能源消費總量為15.9億噸標準煤，2013年已達到37.6億噸標準煤。

長期以來，我國經濟主要靠第二產業拉動，重化工業的突飛猛進，不僅消耗了大量的化石能源，而且造成嚴重的大氣、水、土壤等環境污染，嚴重威脅廣大民眾的身心健康，而且因環境污染引發的群體性事件日漸增多。

在研討會上，與會專家認為，傳統化工材料迫切需要轉型升級，今后要大力發展資源節約和環境友好型化工新材料。

化工新材料是新材料產業的一個重要分支，也是國民經濟的先導產業。《新材料產業“十二五”發展規劃》要求重視新材料研發、制備和使役全過程的環境友好性，提高資源能源利用效率，促進新材料可再生循環，改變高消耗、高排放、難循環的傳統材料工業發展模式，走低碳環保、節能高效、循環安全的可持續發展道路。

《石油和化學工業“十二五”科技發展規劃綱要》提出了“十二五”期間行業科技開發和技術創新總體目標：“十二五”末高耗能產品單耗達到國際先進水平，能耗在“十一五”末的基礎上再降10%，主要產品實現清潔生產，主要污染物排放總量在“十一五”末的基礎上再降10%。力爭到2015年，國內高端化工新材料整體技術水平與發達國家的差距縮小到10年左右，達到本世紀初國際先進水平。

此外，《石化和化學工業“十二五”發展規劃》提出，大力發展工程塑料、特種合成橡膠等先進結構材料，促進結構材料的輕質化；加快發展以氟硅材料、功能性膜材料為代表的非金屬功能材料；加速發展高性能纖維及其增強復合材料；注重發展電子化學品、食品添加劑、飼料添加劑、水處理化學品、環保型塑料添加劑等高性能、環境友好、本質安全的新型專用化學品。

曹湘洪院士指出，化工新材料在節能減排和環境保護中有其他材料難以替代的重要作用，要把支持節能、服務環保作為我國化工新材料發展的重要方向。

支持節能減排

有機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量大，應用面廣。我國僅聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、ABS等合成樹脂，2012年的產量就達到5210萬噸，預計2015年將達到約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5350萬噸。

提高材料的性能和功能化水平，對材料使用合理化、減量化、延長使用壽命具有重要作用，可以明顯減少凝結在材料中的資源和能源消耗。例如現代農業中使用地膜，通過提高強度減薄一半，大棚膜壽命延長一倍，其節材節能效果高達50%。所以在開發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路線：增加或改變共聚單體，也可挑戰共聚單體的比例；開發新催化體系或改進現有的催化體系；開發新聚合工藝與反應器，實現傳統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。

我國單位GDP的能源消耗與國外先進水平有明顯差距，因此應大力發展節約能源、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、高性能潤滑用材料；可降低輪胎滾動阻力，提高耐磨性、抗濕滑性的綠色輪胎用合成橡膠材料等。

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

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

曹湘洪院士呼吁，要大力發展建筑節能材料，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，無公害阻燃技術生產的聚合物發泡墻體材料，以及長壽命隔熱隔音建筑物門窗結構材料、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、有機光半導體（OLED）材料。與熒光燈相比，半導體照明具有許多優勢，如沒有汞及紫外線，薄而輕，調光容易，器具造成的光損失較少。OLED材料還能制成透明產品、柔性產品，節能效果更好。

由國家發展改革委、科技部、工業和信息化部、財政部、住房城鄉建設部、國家質檢總局聯合編制的《半導體照明節能產業規劃》提出，到2015年，60W以上普通照明用白熾燈全部淘汰，市場占有率將降到10%以下；節能燈等傳統高效照明產品市場占有率穩定在70%左右；LED功能性照明產品市場占有率達20%以上。此外，LED液晶背光源、景觀照明市場占有率分別達70%和80%以上。與傳統照明產品相比，LED道路照明節電30%以上，室內照明節電60%以上，背光應用節電50%以上，景觀照明節電80%以上，實現年節電600億千瓦時，相當于節約標準煤2100萬噸，減少二氧化碳排放近6000萬噸。

減少化石能源消耗，降低環境污染，不僅要全方位推進節能減排，而且要加快調整能源結構，大力發展風能、太陽能等可再生能源。2013年，我國可再生能源占能源消費的比重不足10%。按照《可再生能源中長期發展規劃》，到2020年，我國可再生能源消費量占能源消費總量的比重要達到15%。

曹湘洪院士認為，要積極發展太陽能熱發電用材料、太陽能光伏電池材料、風力發電用材料和儲能材料。他指出，太陽能發電和風力發電的突出問題是電力輸出不穩定，對電網的安全可靠運行影響大，因此發展分散式電能儲存裝備是一項可行措施。

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

服務環境保護

治理大氣污染，必須高度重視工業過程排放氣體中的煙塵、二氧化硫、氮氧化物、微量有機物的深度脫除。要積極開發和發展適合不同溫度環境的過濾除塵材料，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與生產。此外，工業過程會出現含有微量有機物的尾氣排放，汽車尾氣中會有微量沒有充分燃燒的烴類和一氧化碳。

曹湘洪院士指出，這就需要開發尾氣凈化材料，包括催化燃燒法脫除工業排放氣中微量有機物的高活性催化劑，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化催化劑及載體。

我國是水資源十分缺乏的國家，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，美國的1/5，列世界第109位。此外，我國水資源的時間空間分布也很不均勻，北方地區淡水資源只有南方的1/4，全國有45%的國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，全國669個大中城市有400多個城市常年淡水不足，嚴重缺水城市有108個，其中北京人均占有水資源量僅為世界人均的1/13，還不如一些干旱的阿拉伯國家。

由于我國人口基數大，而且正處于工業化、城鎮化和農業現代化進程中，再加上原有的粗放式增長，從而產生了大量的工業污水、養殖業污水和生活污水。

曹湘洪院士認為，要針對我國水體污染的現狀和實現污水深度處理回用的要求發展化工新材料。一是發展處理污水中難降解有機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物的石墨烯基催化材料以及可脫除水中重金屬和有機小分子的納米纖維親和膜；二是開發與發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器用膜材料以及對污水深度處理的高通量、高選擇性的超濾膜、反滲透膜。

塑料袋給人們日常生活提供了方便，但我們使用的塑料袋和塑料制品絕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，以致造成城鄉環境嚴重污染，即白色污染。

面對日益嚴重的白色污染問題，人們希望尋找一種能替代現行塑料性能，又不造成白色污染的塑料替代品，可降解塑料應運而生。這種新型功能的塑料，其特點是在達到一定使用壽命廢棄后，在特定的環境條件下，由于其化學結構發生明顯變化，引起某些性能損失及外觀變化而發生降解，對自然環境無害或少害。

曹湘洪院士表示，開發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或部分利用生物質資源的新型可降解高分子材料，如聚烴基脂肪酸酯（PHA）。

《新材料產業“十二五”發展規劃》提出，積極開展聚乳酸等生物可降解材料研究，加快實現產業化，推進生物基高分子新材料和生物基綠色化學品產業發展。

重視應用技術開發

材料的價值只有通過加工應用才能體現，材料的性能只有通過加工應用才能得到驗證，材料的缺陷只有通過加工應用才能發現，材料質量的提升也只有通過加工應用才能找到方向。

長期以來，我國化工材料加工應用技術研發投入少，導致加工裝備水平與國外差距大，材料對市場不同用途的適應性差，品種牌號少，材料的附加值低。

曹湘洪院士表示，重視加工應用技術開發，有利于形成材料生產、材料加工、材料加工裝備、材料應用的產業鏈。

例如支持污水深度處理的膜材料，從技術開發的角度包括膜材料技術、膜制備技術、膜組件技術、膜工程設計技術、膜應用技術；從產業的角度包括膜材料生產、膜制備及制膜裝備、膜組件制造、膜工程設計、膜應用等環節。相應的技術都掌握了，形成污水深度處理的完整的膜產業鏈，對保護水環境才能起到實質性的支持和服務作用。

在膜材料應用技術開發領域，由歸國學者創辦于中關村國家自主創新示范區的北京碧水源科技股份有限公司，是中國膜生物反應器（MBR）技術大規模應用奠基者。成立十多年來，碧水源不僅通過技術革新，把污水處理項目裝備化，在工廠里生產環保設備，實施產業化運作，而且研發出擁有完全自主知識產權的PVDF增強型微/超濾膜、低壓反滲透膜以及MBR技術，攻克了“膜材料研發、膜設備制造和膜應用工藝”三大國際技術難題。

碧水源公司研發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、生產、專業設計、工程應用、運營服務等為一體的膜產業鏈，膜產品在數千項污水資源化工程得以應用，主要分布于北京地區、環太湖流域、滇池等重點領域，累計規模達到700萬噸/天，占據國內MBR市場70%以上份額 。

加工應用技術研究，研發投入大，而材料應用企業規模一般不大，單個企業投入負擔重，可以組織同類應用企業與加工裝備制造企業、科研機構建立產業聯盟，以股份制形式共同出資投入組建研發團隊，形成共有共享的技術，促進產業發展。

高濃度難降解有機廢水的處理，是目前國內外污水處理行業公認的難題。開發經濟實用的難降解有毒有害有機物的廢水處理技術裝備，較好地解決廢水處理，達到回用排放標準，具有十分重要的現實意義和深遠的歷史意義。

為破解這一環境難題，山東京魯水務集團公司與中科院生態環境研究中心強強聯合，研發具有自主知識產權的高強度、高通量、高截留率、高產水率納濾（NF）膜集成工藝與裝置，深入研究以高產水率NF膜為核心的共性關鍵預處理及深度處理技術體系。

據了解，目前90%以上的NF膜材料依賴進口。納濾膜及組件目前主要用在制藥、染料以及石化、造紙、紡織等眾多產業的分離與回收，在污廢水回用和安全飲用水凈化領域中的應用尚處在發展階段，預計今后會有更大應用前景。