#重點實驗室巡禮# 【綠色鋪就化工新底色——走進中國科學院綠色過程與工程重點實驗室】@中科院之聲 高溫、廢水、廢氣、劇毒物質……還在「談化色變」?你out了!科學家開發的先進綠色過程與工程科學技術,魔法般為化學工程鋪就一碧千里的新底色。

多年來,依託中國科學院過程工程研究所(以下簡稱過程所)建立的中國科學院綠色過程與工程重點實驗室(以下簡稱綠色室)致力於開展綠色化學與工藝、綠色反應工程、綠色分離工程和綠色過程系統集成的應用基礎和工程研究。

「我們一直圍繞著化工放大規律的研究,把實驗室的綠色工藝和技術轉移到工業生產,最終實現化工過程的綠色化。」綠色室主任劉會洲研究員告訴《中國科學報》。

從自然科學獎到科技進步獎

今年1月10日,綠色室常務副主任、研究員楊超參与的「晶元用超高純電子級磷酸及高選擇性蝕刻液生產關鍵技術」,被授予2019年度國家科技進步獎二等獎。

手捧證書,燙金國徽下方的「科技進步」幾個字讓楊超感慨萬千。「經過幾十年時間,我們的基礎科學研究成果終於走出實驗室、走進工業生產現場,真正讓科學技術成為了生產力。」他向《中國科學報》表示。

一紙證書凝聚著幾代人的努力。上世紀90年代,經過中國科學院院士陳家鏞等學者的不斷開拓,濕法冶金已在生產有色金屬方面為國家創造了巨大財富。作為化工出身的學者,陳家鏞始終強調化學工程作為學科基礎的重要性。

受前輩的啟發,楊超也一直在思考,如何將研究論文中的成果真正用在生產中。

化工、冶金和生物反應器放大是實驗室到生產的必經之路,關係到能否減少副產物、簡化流程和降低分離負擔等方面。鑒於國內外普遍使用傳統的逐級試驗和經驗放大方法,成本高、周期長,從小試到模型模擬再到工業化的數值放大技術成為更理想的方法。

2003年,楊超和研究員毛在砂接到了一家石化企業關於改進反應攪拌器的任務,這是他們第一次直面生產中的真問題。在紮實的理論研究基礎上,他們花了一星期時間,提出了新的反應器構型改造方案,順利完成了任務。

2007年,又有企業前來求助。他們又在短短一個月內,在原有空間條件不變的情況下,通過改變反應器內部結構,實現了物料處理量增大1倍的放大效果,為企業解決了瓶頸問題,節約了大量的設備投資。

楊超和同事一次又一次用理論知識解決工程現實困難,在相關企業中逐漸建立了良好的口碑。

經過多年生產實踐,2009年,陳家鏞、毛在砂、楊超等研究人員在「多相體系的化學反應工程和反應器的基礎研究及應用」上取得的成果獲得國家自然科學獎。

不僅如此,他們致力於將反應器數值放大核心共性技術在不同行業推廣。一系列新技術在醫藥、石化和精細化工等領域的多家企業中應用,新增利稅約10億元,被授予2015年度國家技術發明獎二等獎。

在2019年獲得的國家科技進步獎中,他們發揮了2009年國家自然科學獎二等獎項目中的沉澱化工數學模型及數值模擬的理論優勢,用數值模擬技術對關鍵反應器進行定量分析和優化,設計出新型反應器及組合反應設備,有效強化了反應器內混合、傳質和傳熱,實現了從工業黃磷製備雜質含量10-9量級的超高純電子級磷酸,幫助企業生產出晶元用高端磷酸系蝕刻液。

「這突破了晶元用超高純電子級磷酸和高選擇性蝕刻液的進口替代難題,是解決國家化學和電子工業重大戰略需求的成果。」令人欣慰的是,產品已經銷往國內外知名電子企業,推動了我國晶元製造等高新技術產業的發展。

在楊超看來,從自然科學獎到技術發明獎、再到科技進步獎的歷程,勾勒出從基礎研究取得突破到解決核心技術、再應用到國家急需領域的清晰脈絡。

「幾十年來,我們做的工作就是搭建從實驗室到工業應用的橋樑。」劉會洲強調,「這個定位一直沒有改變。」

「必須有自己的一把刀」

「大家必須得有自己的『一把刀』。」劉會洲經常把這句話掛在嘴邊,提醒科研人員要從科學上形成有獨特優勢的研究方向。「這把『刀』可以用來『切』不同的東西,可能今天切水果,明天切蔬菜。」

例如,微乳相萃取技術就是劉會洲手中的一把鋒利的「刀」。上世紀80年代末,針對我國青霉素等抗生素生產過程中破乳劑的科學難題,他帶領團隊開發新型破乳劑,顯著降低了抗生素生產的成本。新乳化劑的使用使我國在青霉素生產方面處於國際領先地位。同時,在化工分離方面,提出利用微乳相製備超順磁性納米載體的新方法和萃取分離的新技術,應用於金屬分離和生物產品的分離純化等過程。該技術獲2014年國家技術發明獎二等獎。

亞熔鹽技術則是另一項關鍵核心技術。上世紀90年代末,過程所研究員、中國工程院院士張懿帶領團隊在國際上首次提出了「亞熔鹽」的概念。這是一種鹼金屬鹽的高濃水溶液,介於溶液和熔融之間的狀態,被認為是一種非常規的、臨界狀態的化學反應介質。

獨闢蹊徑地提出全新概念后,科研人員從原理上發現,亞熔鹽在反應過程中能夠提供高化學活性和高活度氧負離子,這是其發揮作用的關鍵——這將為在溫和條件下高效轉化金屬礦產資源、實現資源高效清潔利用與源頭污染控制提供可能性。

「亞熔鹽技術是我們的『看家本領』。」過程所研究員李會泉告訴《中國科學報》。近30年來,他們不僅在亞熔鹽技術的基本理論上不斷取得突破,還將這些理論發展成共性技術,應用到鉻、鋁、釩等多種金屬的高效清潔生產中。

2007年至2017年,在兩次國家973計劃項目支持下,科研人員對亞熔鹽介質為何能轉化釩鉻、如何轉化等科學問題開展研究,建立以「氣泡納微化」為代表的一系列以活性氧調控為核心的礦物轉化新方法。其間陸續完成了公斤級擴試和千噸級中試。

2017年6月,世界首條釩渣亞熔鹽法清潔提釩生產線竣工投產。據研究團隊與河鋼集團的計算結果,新技術推廣后,可每年從源頭削減承德地區廢氣1.5億立方米、重金屬渣30萬噸、高鹽氨氮廢水100萬噸,為我國大宗特色高鉻型釩鈦磁鐵礦開發利用提供了有效的解決方案。

如果說亞熔鹽是一種無機介質,那麼同類型的有機介質則被稱為「離子液體」。這是一種使用溫度下可呈現液態的液態鹽,是新一代綠色介質和功能材料,為創造物質轉化的反應/分離新體系提供了新機遇。

1990年,現任過程所所長、中國科學院院士、綠色室副主任張鎖江還在國外一家企業工作,他偶然接觸到離子液體這一全新概念。當時,全球科學家已圍繞這一新概念開展了諸多研究,但距離工業化還有很長的路要走。

2001年回國后,張鎖江加入過程所,開始組建團隊對離子液體全方位「刨根問底」。多年來,他帶領團隊揭示了離子液體氫鍵特殊性、網路結構及構效關係,形成了功能化離子液體的設計方法,同時建立了離子液體傳遞/反應原位研究方法,闡明了其結構對工程放大的影響規律。這些工作推動中國離子液體的基礎研究引領世界。

深入的前沿科學研究打磨好「離子液體」這把「刀」,研究團隊又進一步推動離子液體的工業化應用。

圍繞二氧化碳的轉化,他們利用離子液體具有的高效催化活化小分子的獨特性能,實現用離子液體催化二氧化碳轉化並製備二甲酯(DMC)聯產乙二醇(EG)技術成果工業化應用。2019年,他們與企業合作研發並建成世界首套萬噸級工業裝置,有效減少碳排放、降低生產成本。

在張鎖江的眼裡,科學研究絕不應止步于「發發論文」,更重要的是邁出從科學到工程這一步。這正是他極力倡導的基礎和應用緊密結合的創新模式。

給「後浪」一片海洋

過程所研究員李望良難忘那段「蹭座位」的時光。2017年,他在新加坡完成博士后工作后加入過程所,開始張羅啟動科研。由於實驗場地緊張,很長一段時間,他都沒有自己的辦公室。

劉會洲把課題組的辦公室借給了李望良。「當時每天在劉老師課題組蹭座位。」李望良說。

當然,實驗室給他的絕非一張辦公桌。為鼓勵青年科研人員開展創新研究,積極探索學科前沿,增強探索性、原創性科技創新能力,綠色室每年都會部署「自由探索項目」。

李望良在這一項目資助下邁出了獨立科研的第一步。如今,他已經組建起一個小團隊,在生物質能源等方面取得不俗成績。

實驗室歷來有「幫扶帶」的傳統,對於剛剛起步的年輕人,在關鍵時刻給予支持,幫助他們堅定獻身科研的決心。

「幫扶帶」的傳統源自於陳家鏞。他在學術上、工作上乃至生活上對後輩的全方位提攜和呵護,成為許多人一生的美好回憶和寶貴財富。2019年8月,陳家鏞去世后,學生們在多篇紀念文章中回憶起一個個小故事:他把重要的任務交給學生承擔,幫助他們在任務攻關中成長;根據各自的興趣推薦他們到美國、歐洲、新加坡的研究機構深造學習;用自己的收入給大家發「獎金」,給學生的小女兒送卡通書包……

前輩的「幫扶帶」,給「後浪」提供了一片可以自由翻滾的「海洋」。

過程所「80后」研究員楊良嶸就是其中之一。她師從劉會洲研究員,2010年畢業后留所工作,申請到綠色室部署的青年基金啟動科研。「剛開始什麼都沒有,有資助和沒有資助完全是兩個概念!」她說。

隨後,劉會洲讓她承擔自然科學基金重點項目、科技部973子課題等大任務。她的體會是,「做下來很累,但收穫很大。」

2014年,楊良嶸獲得美國李氏基金會資助,赴麻省理工學院進行為期1年的訪學。這個機會也得益於實驗室從上世紀80年代開始與李氏基金會的合作關係,基金會每年資助兩名青年科研人員出國交流1年。

目前,楊良嶸正在用固相萃取、磁分離等核心技術研究納豆激酶等生物產品高附加值蛋白質的分離和檢測。「我們年輕人就要打開『腦洞』,堅持做有用的東西。」這是她對自己的要求。

多年來,綠色室培養並穩定了一批能承擔攻堅任務的青年才俊。據統計,實驗室40歲以下人員占實驗室總人數的68.2%。

劉會洲期待,實驗室提供的平台能夠讓「後浪」們在綠色過程與工程領域開創一片新天地。

家國情懷代代傳承

過程所工程師孫和雲是一位普通成員。在過程所研究員阮仁滿的帶領下,她和同事們遠赴緬甸蒙育瓦銅礦現場,從實驗室搖瓶試驗、柱浸試驗,最終升級放大到工業試驗,為工業應用提供可靠的工程依據。與傳統採礦工藝相比,新工藝大幅降低了酸的釋放量,極大減輕了銅礦開採的環境保護壓力。

對年輕的孫和雲而言,第一次深刻理解「家國情懷」四個字的內涵,是在2017年遠赴緬甸蒙育瓦銅礦出差的途中。

那時,她的女兒剛剛1歲4個月。臨走時,趁女兒還在熟睡,孫和雲輕輕親吻了小傢伙的臉蛋,滿懷不舍地拖著行李箱出了門。

直到今天,她仍然對這場分離記憶猶新。

初次參与千噸級的大規模試驗,孫和雲在銅礦的工作並沒有想象中順利。炎炎烈日下,不顧高溫炙烤,她爬上礦堆實地考察,研究分析入堆礦石性質、礦石類型、礦石粒度、布液條件等對銅浸出、酸鐵平衡的影響。

中國工程院院士張懿則是實驗室所有科研人員的榜樣。在榜樣力量的激勵下,孫和雲逐漸意識到遠赴緬甸開展這些工作的重要意義——為我國的銅資源供應提供了保障,用科技創新助力「一帶一路」倡議。而正是在這樣的宏大敘事中,孫和雲能夠暫時放下對女兒的思念和擔憂,帶著「家國情懷」全身心投入。

「張懿院士80多歲的高齡依然堅守在科研工作崗位上,我們年輕人還有什麼理由不努力?」孫和雲常常鼓勵自己。

2019年6月,張懿80歲生日之際,過程所所長、中科院院士張鎖江撰寫了一篇文章,飽含深情地寫道:「張院士已是一位白髮蒼蒼的老人,卻依舊兢兢業業地奮戰在科技創新第一線,我常想,是什麼樣的力量支撐著她,讓這位老人能夠數十年如一日地耕耘、奉獻、付出著,我想這必是科技報國的堅定信念,才能心無旁騖,始終堅持!」

「最近張老師跟我提到『路易斯酸鹼理論』在礦物的清潔利用過程中應該得到重視。」過程所研究員李會泉經常去找張懿請教,「她總覺得國家給予她太多,而她能回報的太少,所以要盡自己最大的努力去奉獻。」

老一輩科學家的家國情懷和科學精神正像家風一樣,自然而然地影響著一代代科研人員。

「我們的科研必須要面向國家重大需求,牢記綠色發展理念,以解決共性關鍵科技難題為核心,用綠色鋪就化工新底色。」張鎖江表示。
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