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缓解“白色污染”,纤维素基材料绿色加工领航者 ——专访纤维素膜清洁生产新工艺技术发明人张军博士

时间:2018-06-19 15:51    来源:商务财经网  

   缓解“白色污染”,纤维素基材料绿色加工领航者

  ——专访纤维素膜清洁生产新工艺技术发明人张军博士

  随着人类社会工业化进程的不断推进,大气雾霾、森林面积减少、温室效应、白色污染等越来越多的环境问题正困扰着人类正常的生活。其中,由于不可降解的石油基聚合物包装材料的大量使用,使得白色污染这一问题在全球有愈演愈烈之势。英国《卫报》和《时代周刊》分别进行过“人类最糟糕的发明”的评选,入选名单中均包括了不降解的塑料袋。《卫报》称,我们的地球似乎已经变成了塑料星球,土地、河流、高山、海洋,总之塑料袋无处不在,直到有一天,我们都已离去,这些东西仍然占据着地球,因为它们是“永存”的。中国中央电视台曾播出了“莫让地膜成地魔”的一小时专题片,记录了我国新疆地区由于大面积、长期使用不降解塑料地膜造成的土质劣化、棉花减产的困境。近年来,电子商务和快递物流行业在我国得到突飞猛进的发展,天猫2017年双十一仅一天的成交额高达1682亿元。随之而来的是,过度包装和大量不降解包装材料的使用造成大量的包装垃圾。中新网、新浪、搜狐等众多媒体发问:“人们在享受快递狂欢之后,天量的包装垃圾去哪了?”不降解包装材料造成的环境污染问题已经引起了全社会高度关注,开发和推广使用可生物降解的绿色包装材料正形成广泛的共识。2017年11月2日,国家邮政局、国家发改委、科技部、工信部、环保部、住建部、商务部、国家质监总局、国家认监委、国家标准委联合发布《关于协同推进快递业绿色包装工作的指导意见》,明确要求,到2020年,可降解的绿色包装材料在快递业中的应用比例将提高到50%。

  虽然人们经常高呼着“保护地球”的口号,但需要“保护”的一直都不是地球。地球自诞生以来的46亿年中,有温度比现在高十几度的时候,有二氧化碳浓度比现在高十倍的时候,但地球依然是地球,毁灭的只有地球上的物种,因此需要“保护”的一直都是人类自己。在目睹了越来越严重的“白色污染”环境问题后,身为中科院科研人员的张军博士深感责任重大,他们的团队成员长期致力于环境友好高分子材料方面的研究,希望通过自己的研究能最大程度的缓解目前“白色污染”对环境的危害,为了更加美好的地球环境而贡献自己的力量。他们的研究成果“纤维素膜清洁生产新工艺”产业化项目便由此应运而生。

  张军博士(中)在纤维素膜清洁生产新工艺工业试验现场

  【发展生物降解材料 攻坚纤维素突破口】

  可生物降解高分子材料的开发已经引起全球范围内企业和资本的关注。目前的生物降解材料主要包括人工合成高分子材料(如聚乳酸、脂肪族聚酯等)和天然高分子材料(如纤维素、淀粉材料等)。聚乳酸等人工合成的生物降解塑料的生产规模已经达到了相当大的规模,但这类材料的问题是成本较高、膜性能还有待改善。纤维素是自然界中最丰富的天然高分子,每年的产量高达1011到1012吨,几乎取之不尽、用之不竭,可再生、可生物降解的特性让它拥有了巨大的商业价值。纤维素产品应用广泛,其中的纤维素膜制品广泛应用于食品、药品、化妆品、高档成衣、精密仪器、电池、礼品等包装领域以及可降解胶带。张军科普到,纤维素是从自然界诞生,它是从植物里面提取而来的,我们日常生活中衣服里面的棉纤维,其实都是纤维素,其化学结构是由葡萄糖单元组成的多糖。纤维素材料在空气中,即便放100年它也不会被破坏,但只要把它埋在土壤或生活垃圾中,在微生物的存在下,几周之内就会降解为二氧化碳和水。

  虽然纤维素的原料储量巨大、可再生,纤维素膜性能优异、无毒环保、可生物降解。但纤维素的加工却非常困难,这是由于纤维素特殊的结构所造成的。张军博士补充道:“在自然界长期存在的生物质材料要想把它的结构破坏并加工成型是非常困难的”。通俗地讲,纤维素虽然是绿色、可持续的原料,几乎是取之不尽、用之不竭,纤维素膜产品性能也很好,更拥有可生物降解的特性,但是纤维素膜的高效、清洁生产是最大的挑战,也是世界性科学难题。因为不能熔化、难以溶解,纤维素膜的传统生产工艺能耗高、污染重,极大限制了这一行业的发展也限制了纤维膜产品的广泛使用。而张军博士团队发展的纤维素膜清洁生产新工艺就是要解决这个行业难题。

  张军领导的中科院化学所科研团队近二十年来的主攻方向就是发展纤维素的绿色加工与功能化的新原理和新方法,并获得科技部(973和支撑计划)、国家基金委(杰出青年基金)和中科院的长期支持。经过多年努力,他们设计发明了可高效溶解纤维素的绿色溶剂-离子液体,发展了基于离子液体溶剂体系的纤维素材料绿色加工和功能化的新原理和新方法。简单说来,张军团队研发的新溶剂,可以高效物理溶解纤维素,从而使纤维素材料(膜和纤维)的生产过程更加简单、高效和环境友好。他们的研究成果获得了2013年度北京市科学技术一等奖。在北京研究实力雄厚的高校、研究所云集,他们的成果能在参加评选项目中拔得头筹,足以见得这项技术的学术创新性和应用潜力。

  基于张军课题组发明的“可高效溶解纤维素的离子液体新溶剂体系”,2011年,中科院化学所与山东恒联集团正式开始合作,共同开发基于离子液体溶剂法的再生纤维素膜(玻璃纸)的清洁生产新工艺的产业化技术。经过双方技术团队六年的研发,完成中试实验,完成关键设备的研制、定型和加工,打通了溶剂合成、纤维素溶解、成膜、洗涤、干燥和回收的整个工艺路线,建立和完善了质量评价体系,成功开发出了纽赛璐纤维素膜和胶带等目标产品,提供给客户试用,用户反馈很好并要求批量供货。2014年,由双方合作开发的“绿色纤维素膜清洁生产新工艺”项目通过成果鉴定,鉴定结论为:“以离子液体直接溶剂法生产纤维素膜的工艺为国际首创,其综合技术水平国际领先”。2016年11月,化学所和恒联集团签署“纽赛璐纤维素膜”项目联合出资协议,成立山东中科恒联生物基材料有限公司,正式启动纤维素膜清洁化生产新工艺的产业化进程。2016年该项目入驻潍坊市生物基纤维材料产业园(国家级),目前新厂房已基本建设完成,定制设备陆续到位,预期今年8月份开始试车并投入生产。该项目投产后,将是国际上第一条纤维素膜清洁生产生产线,对我国纤维素行业的技术转型和升级具有重要意义。

(资料图)

  【发展绿色可降解包装材料势在必行 降低成本是关键】

  聚烯烃塑料膜的性能良好,是目前使用量最为广泛的材料。但人们公认聚烯烃塑料膜产品的滥用是目前“白色污染”的罪魁祸首。这是因为,聚烯烃塑料膜大多用于我们生产、生活中的一次性使用材料,如商场购物袋、餐盒、农用地膜等,使用完后就没有了使用价值,因为质量轻、被污染的缘故,几乎无法回收,或者是没有回收价值。因此,作为一次性使用的包装膜材料和农用地膜材料是迫切需要使用可生物降解材料的。

  也许很多人都有这样一个疑问,既然纤维素膜比起聚烯烃膜如此环境友好,为何聚烯烃膜依旧是我们生产、生活中最常见的包装材料呢?对于这个问题,张军解释道,主要的原因,还是成本造成的。目前的塑料薄膜的主要原材料聚烯烃是以石油为基础原料的大石化产品,生产规模大、效率高,因此产品的成本很低,如聚乙烯或聚丙烯薄膜的价格一般是目前纤维素薄膜的三分之一左右。目前纤维素膜的生产工艺被称为粘胶法,其生产过程工艺复杂、能耗高,所用化学品种类多、毒性和腐蚀性强、消耗量大。生产过程中产生大量有毒废气和酸度大、难治理废水。由该工艺生产出的纤维素膜成本高,还面临着日益严峻的环保压力,西方发达国家在上世纪80年代之后就开始陆续关闭粘胶法生产企业,近年来国内粘胶企业迫于环保压力也开始关闭,国家已不再批准新的粘胶法产能。

  张军博士团队和中科恒联开发的纤维素膜清洁生产新工艺和传统粘胶工艺相比生产周期由原来的2-3天缩短为30分钟,生产成本可降低30%,具有显著的成本优势。新工艺使用绿色环保溶剂-离子液体和水,通过系列化工分离过程,纤维素膜生产过程中使用的溶剂和水均能有效回收和再利用,无废水和废气排放,较传统工艺具有显著的环保优势。

  “毫无疑问,提高新工艺的生产规模将进一步降低纤维素膜产品的生产成本,如果纤维素膜的产品价格能接近目前的聚烯烃薄膜的话,其市场潜力是巨大的。”研发团队计划未来能尽快实现大规模生产,首先迅速占领粘胶法生产工艺生产的纤维素膜市场,进而在不同应用领域逐步替代不可降解聚烯烃薄膜。

(资料图)

  【进一步发展生物降解材料新技术 拓展环保材料应用新领域】

  即便张军团队开发的纤维素膜清洁生产新工艺产业化项目,是中科院STS双创引导计划中的优秀项目之一,但这个技术的产业化仅仅是开始。为了能提高纤维素膜在生活中的更广泛应用,目前张军博士团队正在开发低品质纤维素原料高值化利用的绿色制造新方法与新技术,该项目刚刚获得了中科院的项目支持。张军博士说:“这是目前纤维素膜清洁生产新工艺项目的延伸和发展,是新一代技术。秸秆利用是大问题。我国每年产生7,8亿吨的农业秸秆,现在全国农村各地均禁烧秸秆,因为污染环境。秸秆高效利用是个世界性难题,目前的秸秆焚烧发电、秸秆粉碎还田、秸秆制乙醇等技术均缺乏经济性,没有政府补贴很难持续。因为秸秆是低能量密度物质。“他们希望通过持续研究,开发新一代生产技术,把纤维素工业无法使用的原料“变废为宝”。“如果我们以秸秆为主要原料,生产出可生物降解的薄膜,其价格将有望接近目前的聚丙烯薄膜材料,将其加工成可生物降解的胶带产品,在快递物流行业具有广阔巨大的应用前景。目前这个项目的可行性研究已经在实验室完成,我们正在开发规模化生产的工业化技术和设备。希望两三年后我们能完成这个项目,在市场上推出由秸秆原料生产出的各种绿色包装膜产品。”张军补充道。

  张军团队希望能将此项技术成果投入市场进行大规模生产以及广泛的推广及应用,资本的助力将成为推动行业发展的重要力量。同时,政府的倡导,也将让可降解的生物基包装材料的广泛使用成为未来的一种趋势。

  对于张军这样做科研技术的人员来说,一项新技术能被市场接受和认可是对其科研工作最好的回报。环境友好材料的开发是对我们全人类有益的事业,也应被更多的人重视。环境保护任重道远,虽然“野蛮生长”的工业化进程是环境破坏的始作俑者,但也期待未来能有更多张军这样的科研人士不断加入到环境友好材料的开发队伍,用新技术造福人类,守护我们共同的地球家园。

(责任编辑/张小强)

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标签:科技,创新

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