化工材料何处去

“化石能源消耗增长快、环境污染日趋严重是我国经济发展中的突出问题，发展化工新材料产业要为支持节能减排、服务环境保护做贡献。”中国工程院化工、冶金与材料工程学部主任，中国工程院院士曹湘洪在1月10日举行的“材料产业与环境保护研讨会”上如是说。

进入21世纪，我国经济快速发展，并于2010年跃升为世界第二大经济体，与此同时，能源消费量也迅猛增长。据统计，2002年我国的国内生产总值（GDP）为12.03万亿元，2013年已超过56.8万亿元；2002年我国能源消费总量为15.9亿吨标准煤，2013年已达到37.6亿吨标准煤。

长期以来，我国经济主要靠第二产业拉动，重化工业的突飞猛进，不仅消耗了大量的化石能源，而且造成严重的大气、水、土壤等环境污染，严重威胁广大民众的身心健康，而且因环境污染引发的日渐增多。

在研讨会上，与会专家认为，传统化工材料迫切需要转型升级，今后要大力发展资源节约和环境友好型化工新材料。

化工新材料是新材料产业的一个重要分支，也是国民经济的先导产业。《新材料产业“十二五”发展规划》要求重视新材料研发、制备和使役全过程的环境友好性，提高资源能源利用效率，促进新材料可再生循环，改变高消耗、高排放、难循环的传统材料工业发展模式，走低碳环保、节能高效、循环安全的可持续发展道路。

《石油和化学工业“十二五”科技发展规划纲要》提出了“十二五”期间行业科技开发和技术创新总体目标：“十二五”末高耗能产品单耗达到国际先进水平，能耗在“十一五”末的基础上再降10%，主要产品实现清洁生产，主要污染物排放总量在“十一五”末的基础上再降10%。力争到2015年，国内高端化工新材料整体技术水平与发达国家的差距缩小到10年左右，达到本世纪初国际先进水平。

此外，《石化和化学工业“十二五”发展规划》提出，大力发展工程塑料、特种合成橡胶等先进结构材料，促进结构材料的轻质化；加快发展以氟硅材料、功能性膜材料为代表的非金属功能材料；加速发展高性能纤维及其增强复合材料；注重发展电子化学品、食品添加剂、饲料添加剂、水处理化学品、环保型塑料添加剂等高性能、环境友好、本质安全的新型专用化学品。

曹湘洪院士指出，化工新材料在节能减排和环境保护中有其他材料难以替代的重要作用，要把支持节能、服务环保作为我国化工新材料发展的重要方向。

支持节能减排

有机高分子材料是一种高能量密度材料，其中通用聚合物材料产量大，应用面广。我国仅聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、ABS等合成树脂，2012年的产量就达到5210万吨，预计2015年将达到约6400万吨，而聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯三大合成树脂2015年的需求量将达5350万吨。

提高材料的性能和功能化水平，对材料使用合理化、减量化、延长使用寿命具有重要作用，可以明显减少凝结在材料中的资源和能源消耗。例如现代农业中使用地膜，通过提高强度减薄一半，大棚膜寿命延长一倍，其节材节能效果高达50%。所以在开发和推广化工新材料的过程中，要重视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选择如下技术路线：增加或改变共聚单体，也可挑战共聚单体的比例；开发新催化体系或改进现有的催化体系；开发新聚合工艺与反应器，实现传统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。

我国单位GDP的能源消耗与国外先进水平有明显差距，因此应大力发展节约能源、提高能效的化工材料。例如提高汽车能效的化工新材料，包括汽车轻量化材料、高性能用材料；可降低轮胎滚动阻力，提高耐磨性、抗湿滑性的绿色轮胎用合成橡胶材料等。

据了解，汽车轻量化材料的发展方向是：碳纤维及其热固性和热塑性复合材料，塑料油箱专用的聚乙烯、EVOH（乙烯/乙烯醇共聚物），替代挡风玻璃的高透光性、高强、高韧聚合物，汽车专用聚丙烯等各种合成树脂材料。

随着我国城镇化进程的加快，推进绿色建筑和建筑节能刻不容缓。世界银行估计，到2015年，中国的新建筑将占比世界总建筑的50%，而全世界40%的能源消耗实际上来自于建筑物能耗，但目前我国绿色建筑比例尚不到1%。

曹湘洪院士呼吁，要大力发展建筑节能材料，包括适合建筑物隔热保温的聚氨酯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯等基材，无公害阻燃技术生产的聚合物发泡墙体材料，以及长寿命隔热隔音建筑物门窗结构材料、密封材料。

此外，还要推广低能耗照明灯具材料，例如白色LED材料、有机光半导体（OLED）材料。与荧光灯相比，半导体照明具有许多优势，如没有汞及紫外线，薄而轻，调光容易，器具造成的光损失较少。OLED材料还能制成透明产品、柔性产品，节能效果更好。

由国家发展改革委、科技部、工业和信息化部、财政部、住房城乡建设部、国家质检总局联合编制的《半导体照明节能产业规划》提出，到2015年，60W以上普通照明用白炽灯全部淘汰，市场占有率将降到10%以下；节能灯等传统高效照明产品市场占有率稳定在70%左右；LED功能性照明产品市场占有率达20%以上。此外，LED液晶背光源、景观照明市场占有率分别达70%和80%以上。与传统照明产品相比，LED道路照明节电30%以上，室内照明节电60%以上，背光应用节电50%以上，景观照明节电80%以上，实现年节电600亿千瓦时，相当于节约标准煤2100万吨，减少二氧化碳排放近6000万吨。

减少化石能源消耗，降低环境污染，不仅要全方位推进节能减排，而且要加快调整能源结构，大力发展风能、太阳能等可再生能源。2013年，我国可再生能源占能源消费的比重不足10%。按照《可再生能源中长期发展规划》，到2020年，我国可再生能源消费量占能源消费总量的比重要达到15%。

曹湘洪院士认为，要积极发展太阳能热发电用材料、太阳能光伏电池材料、风力发电用材料和储能材料。他指出，太阳能发电和风力发电的突出问题是电力输出不稳定，对电网的安全可靠运行影响大，因此发展分散式电能储存装备是一项可行措施。

电池材料包括电解液、负极材料、正极材料、膜材料。钠硫电池、全钒电池、锂电池是适合不稳定电能储存的三种主要分散式储能装置。为了适合储能或动力性要求，电池要不断改善材料性能，开发新材料和新体系电池，如锂硫电池、锂空电池。

服务环境保护

治理大气污染，必须高度重视工业过程排放气体中的烟尘、二氧化硫、氮氧化物、微量有机物的深度脱除。要积极开发和发展适合不同温度环境的过滤除尘材料，如芳纶、芳砜纶、聚酰亚胺纤维、与纤维织物复合的多孔聚四氟乙烯薄膜。

脱硝是治理大气污染的重要措施之一，要重视新型脱硝催化材料的开发与生产。此外，工业过程会出现含有微量有机物的尾气排放，汽车尾气中会有微量没有充分燃烧的烃类和一氧化碳。

曹湘洪院士指出，这就需要开发尾气净化材料，包括催化燃烧法脱除工业排放气中微量有机物的高活性催化剂，尤其在低温下具有良好活性的催化剂；能满足第五、第六阶段汽车尾气排放要求和低贵金属含量的汽车尾气高效转化催化剂及载体。

我国是水资源十分缺乏的国家，淡水资源总量为28000亿立方米，仅占全球6%，人均占有2200立方米，为世界平均水平的1/4，美国的1/5，列世界第109位。此外，我国水资源的时间空间分布也很不均匀，北方地区淡水资源只有南方的1/4，全国有45%的国土面积年降水量小于400mm，且降水集中在6-9月，属于干旱缺水地区，全国669个大中城市有400多个城市常年淡水不足，严重缺水城市有108个，其中北京人均占有水资源量仅为世界人均的1/13，还不如一些干旱的阿拉伯国家。

由于我国人口基数大，而且正处于工业化、城镇化和农业现代化进程中，再加上原有的粗放式增长，从而产生了大量的工业污水、养殖业污水和生活污水。

曹湘洪院士认为，要针对我国水体污染的现状和实现污水深度处理回用的要求发展化工新材料。一是发展处理污水中难降解有机物和脱除重金属的材料，包括可见光条件下催化分解废水中有机物的石墨烯基催化材料以及可脱除水中重金属和有机小分子的纳米纤维亲和膜；二是开发与发展污水高效处理和深度处理的膜材料，例如提高污水处理效率的膜生物反应器用膜材料以及对污水深度处理的高通量、高选择性的超滤膜、反渗透膜。

塑料袋给人们日常生活提供了方便，但我们使用的塑料袋和塑料制品绝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，难于降解处理，由于随意丢弃，以致造成城乡环境严重污染，即白色污染。

面对日益严重的白色污染问题，人们希望寻找一种能替代现行塑料性能，又不造成白色污染的塑料替代品，可降解塑料应运而生。这种新型功能的塑料，其特点是在达到一定使用寿命废弃后，在特定的环境条件下，由于其化学结构发生明显变化，引起某些性能损失及外观变化而发生降解，对自然环境无害或少害。

曹湘洪院士表示，开发生物基可降解高分子材料是消除白色污染的重要途径，主要有：聚乳酸、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）以及其他利用生物质或部分利用生物质资源的新型可降解高分子材料，如聚烃基脂肪酸酯（PHA）。

《新材料产业“十二五”发展规划》提出，积极开展聚乳酸等生物可降解材料研究，加快实现产业化，推进生物基高分子新材料和生物基绿色化学品产业发展。

重视应用技术开发

材料的价值只有通过加工应用才能体现，材料的性能只有通过加工应用才能得到验证，材料的缺陷只有通过加工应用才能发现，材料质量的提升也只有通过加工应用才能找到方向。

长期以来，我国化工材料加工应用技术研发投入少，导致加工装备水平与国外差距大，材料对市场不同用途的适应性差，品种牌号少，材料的附加值低。

曹湘洪院士表示，重视加工应用技术开发，有利于形成材料生产、材料加工、材料加工装备、材料应用的产业链。

例如支持污水深度处理的膜材料，从技术开发的角度包括膜材料技术、膜制备技术、膜组件技术、膜工程设计技术、膜应用技术；从产业的角度包括膜材料生产、膜制备及制膜装备、膜组件制造、膜工程设计、膜应用等环节。相应的技术都掌握了，形成污水深度处理的完整的膜产业链，对保护水环境才能起到实质性的支持和服务作用。

在膜材料应用技术开发领域，由归国学者创办于中关村国家自主创新示范区的北京碧水源科技股份有限公司，是中国膜生物反应器（MBR）技术大规模应用奠基者。成立十多年来，碧水源不仅通过技术革新，把污水处理项目装备化，在工厂里生产环保设备，实施产业化运作，而且研发出拥有完全自主知识产权的PVDF增强型微/超滤膜、低压反渗透膜以及MBR技术，攻克了“膜材料研发、膜设备制造和膜应用工艺”三大国际技术难题。

碧水源公司研发中心主任陈亦力介绍说，碧水源致力于解决水脏、水少、水安全，已形成集研发、生产、专业设计、工程应用、运营服务等为一体的膜产业链，膜产品在数千项污水资源化工程得以应用，主要分布于北京地区、环太湖流域、滇池等重点领域，累计规模达到700万吨/天，占据国内MBR市场70%以上份额 。

加工应用技术研究，研发投入大，而材料应用企业规模一般不大，单个企业投入负担重，可以组织同类应用企业与加工装备制造企业、科研机构建立产业联盟，以股份制形式共同出资投入组建研发团队，形成共有共享的技术，促进产业发展。

高浓度难降解有机废水的处理，是目前国内外污水处理行业公认的难题。开发经济实用的难降解有毒有害有机物的废水处理技术装备，较好地解决废水处理，达到回用排放标准，具有十分重要的现实意义和深远的历史意义。

为破解这一环境难题，山东京鲁水务集团公司与中科院生态环境研究中心强强联合，研发具有自主知识产权的高强度、高通量、高截留率、高产水率纳滤（NF）膜集成工艺与装置，深入研究以高产水率NF膜为核心的共性关键预处理及深度处理技术体系。

据了解，目前90%以上的NF膜材料依赖进口。纳滤膜及组件目前主要用在制药、染料以及石化、造纸、纺织等众多产业的分离与回收，在污废水回用和安全饮用水净化领域中的应用尚处在发展阶段，预计今后会有更大应用前景。