【中科院之聲】王愛勤:引領凹凸棒石研發 從“跟跑”到“領跑”

  5月18日,在張掖市臨澤縣召開的甘肅凹凸棒石創新發展研討會上,眾多國內專家聚焦凹凸棒石創新發展成果,多項臨澤縣凹凸棒石產業發展開放課題項目現場簽約。隨著產學研用協同創新平臺的搭建運行,甘肅凹凸棒石產業發展又邁出堅實一步。

  凹凸棒石到底是什么?為什么如此受人垂青……原來,凹凸棒石是一種黏土礦物質。它主要形成于距今上億年前的白堊紀和第三紀時期。在黏土界,它有“千土之王”“萬用之土”的美譽。人們吃的大豆油需要用它脫色,以過濾掉黃曲霉素等有害成分;添加它做成的面膜,會更加平滑、通氣、吸油力強,且高度環保;在食品包裝袋中,用它吸收水分,食品會香脆可口……

  然而,這樣一種神奇的黏土礦物在過去很長時間里卻被人們當作“土”用。如今,將它“點石成金”的人,正是中國科學院蘭州化學物理研究所的王愛勤研究員及其團隊。專注凹凸棒石研發近20年,他們讓我國凹凸棒石研發水平從“跟跑”變為“領跑”。

   1 “結緣”凹凸棒石 

  王愛勤說,他與凹凸棒石的緣分好像是“命中注定的”,他第一次接觸到的凹凸棒石來自甘肅臨澤。

  2000年,一位企業家拿了塊臨澤當地的黏土礦找到王愛勤,向他介紹:“這個黏土礦是凹凸棒石,吸水能力可以達到1比300,可以做保水劑使用。”王愛勤當時正在做有機無機復合保水劑研究,看到這種“神奇的黏土礦物”立即進行了測試。但結果顯示這種黏土礦物的吸水性并不高。

  在好奇心驅使下,王愛勤查閱了大量資料,發現原來這種黏土礦物很不簡單,它具有特殊的棒狀晶束形貌和規整的孔道結構。能否用凹凸棒石的棒晶在保水劑制備中起到物理輔助交聯作用呢?

  懷著忐忑的心情,王愛勤指導博士生進行了相關研究。他們驚奇地發現,凹凸棒石添加量在30%時仍能達到單純丙烯酸聚合保水劑的吸水能力,而凹凸棒石正是起到了類似混凝土中“鋼筋”的作用。

  之后,在國家“863”和中國科學院“西部行動”等項目的支持下,王愛勤帶領團隊系統開展了凹凸棒石的改性研究,優化出利用凹凸棒石制備有機無機復合保水劑的最佳工藝條件,并在2004年與山東一家企業合作實現了產業化生產,產品應用于蘭州市南北兩山綠化和旱作農業生產中。

  保水劑的成功并沒有讓王愛勤團隊停下凹凸棒石研究的腳步。相反,完成“打醬油”期后,他們對凹凸棒石的“感情”也更加“深厚”了。

  王愛勤介紹,凹凸棒石是一種具有棒狀晶體結構的含水富鎂的鋁硅酸鹽礦物,也是一種天然的納米材料,結構負電荷和孔道使其具有很強的吸附、懸浮、觸變、增韌補強能力。因而在國外被廣泛應用于化工、建材、造紙、醫藥、農業、環保和食品等多個領域。

  王愛勤在調研中發現,早在上世紀90年代,一些外國公司就從國內大量采購凹凸棒石黏土礦,“以每噸100元的價格把礦石買過去,加工成產品,再以每噸2萬元以上的高價賣給我們。”說到這里,王愛勤有些痛心。“這么好的東西,我們賣原料,他們賣產品,差價就是200倍!”

  我國的凹凸棒石礦發現于上世紀70年代中期,初級應用起步于1983年,到本世紀初產品的開發仍處于跟蹤模仿階段。“盡管我國凹凸棒石產業發展起步較晚,但我們必須走高值化利用發展路徑,”王愛勤堅定地說。為此,2007年,王愛勤等人合作出版了《凹凸棒石黏土應用研究》一書,系統總結了我國凹凸棒石研究取得的階段性成果,指出了我國凹凸棒石開發利用存在的問題,提出了凹凸棒石深層次開發的方向。

  “就在寫完那本書的時候,突然覺得我們有責任深化對凹凸棒石的研究,也更有興趣探究凹凸棒石的新用途。”王愛勤說,于是,團隊從復合材料的研發轉向了凹凸棒石本身。

   2 “情定”凹凸棒石 

  盱眙地處江蘇北部,因其豐富的凹凸棒石資源,有著“中國凹土之都”之稱。但多年來采用干法傳統工藝生產,產品附加值較低,產業鏈也較短,直到2010年底盱眙縣的凹凸棒石產值還不到4億元。

  早在2003年,王愛勤就到過盱眙,考察了這里的凹凸棒石。因是火山噴發沉積而成,純度高、色澤較白是蘇皖凹凸棒石的特色和優勢。于是,從2007年開始,他們將目光聚焦到江蘇盱眙。在前期研究的基礎上,2008年,王愛勤團隊與當地一家企業合作建立了“凹凸棒石研發聯合實驗室”,決定走濕法高值利用工藝之路,使“黃金資源發揮黃金效益”。

  為了進一步推動政產學研的有效結合,2010年,王愛勤掛職盱眙縣副縣長,負責籌建中科院與盱眙縣共建的“中科院盱眙凹土應用技術研發與產業化中心”,王愛勤和團隊率先入駐中心,并先后引進了6個團隊。

  “大自然真是偉大,一維的納米棒晶、規整的孔道……”王愛勤毫不吝嗇地表達著對凹凸棒石的偏愛。“但凹凸棒石高值應用的最大困難,就是如何解離棒晶束。”王愛勤解釋道,“天然形成的凹凸棒石棒晶大多以鳥巢狀或柴垛狀聚集,要發揮納米材料特性,就必須在不損傷納米結構的前提下進行凹凸棒石棒晶束的高效解離。而這也是制約凹凸棒石產業化發展的世界性難題,當時尚無任何經驗可循。”

  王愛勤介紹,國內外研究者通常采用高速攪拌、超聲、碾磨和冷凍等傳統處理方式,要么只能實現棒晶束部分解離,要么會損傷晶體固有的長徑比,影響其納米性能的應用。因此,必須另辟蹊徑。

  “一定要攻克這些難題!”王愛勤堅定地說。而這一做就是五年。

  王愛勤帶領團隊系統研究了各種處理工藝對凹凸棒石微觀結構的影響和棒晶的損傷程度,在大量實驗的基礎上,逐漸發展出“對輥處理—制漿提純—高壓均質—乙醇交換”一體化工藝。這一工藝在保持凹凸棒石固有長徑比的前提下,成功實現了棒晶束的高效解離,棒晶達到納米級分散,解決了干燥過程中納米棒晶的二次團聚問題,實現了礦材料到納米材料的華麗轉身。基于此,2014年,王愛勤編撰出版了《凹凸棒石棒晶束解離及其納米功能材料》一書。這項技術還獲得了2015年度江蘇省科學技術一等獎。

  有了凹凸棒石棒晶束解離技術,凹凸棒石高值應用就水到渠成了。王愛勤團隊很快就研發出礦物凝膠、高效棕櫚油脫色劑、霉菌毒素吸附劑等高值產品,并應用到市場中。

  一直以來,各種霉菌毒素的危害困擾著畜牧業發展,并且危害人體健康。王愛勤帶領團隊創造性的研發了凹凸棒石玉米赤霉烯酮和嘔吐毒素吸附劑,并與企業合作建成了全自動化生產線,該項目獲批江蘇省科技廳2016年度重大成果轉化項目,填補了我國高端霉菌毒素吸附劑自主研發和生產領域的空白,打破國外產品在此領域的技術和市場壟斷。

  引進的創新研發團隊為凹凸棒石產業發展提供了技術支撐,制約產業發展的棒晶束解離關鍵共性技術取得突破,但還缺少公共測試和服務平臺。在中科院南京分院的支持下,王愛勤申請到了中國科學院科技服務網絡計劃(STS)區域中心“江蘇凹土產業關鍵技術創新體系與示范服務平臺建設”項目和江蘇省凹土材料產品檢測技術重點實驗室,成立了全國非金屬礦產品及制品標準化技術委員會凹凸棒石工作組,全面貫通了凹凸棒石產業發展的人才平臺、研發平臺和檢測服務平臺。

  截至目前,在當地政府創新驅動戰略引導下,盱眙縣已建成55家凹凸棒石黏土加工企業,形成了獨具特色的產業集群和助推產業發展的“盱眙經驗”。

   3 “智造”凹凸棒石 

  王愛勤并沒有沉浸在“盱眙經驗”的成功中,在他心里一直有一個“結”,這就是凹凸棒石的結緣之地——甘肅臨澤。

  出生于甘肅民勤,畢業于蘭州大學化學系,工作在中國科學院蘭州化物所的王愛勤,始終有一種“甘肅情結”。而隨著年齡的增長,想為甘肅做些事兒的愿望就越強烈。“必須找到甘肅凹凸棒石高值利用方式。”王愛勤下定決心。就這樣,在有關部門的支持下,王愛勤從2017年開始將工作重心從江蘇盱眙轉移到甘肅。

  然而,不同于盱眙高品位凹凸棒石,甘肅地區的凹凸棒石多呈紅色,同時伴生多種其他礦物,難以開發高附加值的產品,這也嚴重制約了甘肅凹凸棒石產業的規模發展。如何讓紅色低品位凹凸棒石結構性“轉白”,成了王愛勤團隊必須攻克的又一個難題。

  “早在2008年進行凹凸棒石棒晶束解離研究的時候,我們就在關注甘肅凹凸棒石的轉白問題。”王愛勤介紹,甘肅凹凸棒石是湖相沉積形成的,凹凸棒石本身含量不超過50%,伴生著伊利石和云母等礦物,但混維礦物可以同步轉化應用。經過攻關,王愛勤團隊在實現濕法低品位凹凸棒石轉白的同時,還突破了伴生礦的同步轉化關鍵技術,這對蘊藏低品位凹凸棒石的甘肅等地區來說,無疑是重大“福音”。2017年,王愛勤團隊的“低品位凹凸棒石關鍵共性技術研發及應用”獲得甘肅省技術發明一等獎。

  王愛勤說:“凹凸棒石的奇妙之處,就在于它能因‘石’而異,可研發出不同的應用產品。”在研究過程中,王愛勤團隊充分發揮紅色凹凸棒石黏土本身的顏色特性,制備出新型鐵紅雜化顏料;基于棒晶束解離關鍵技術,他們利用凹凸棒石做成了鈷藍雜化顏料,使每噸生產成本降低了30%左右,既實現了凹凸棒石的高值化利用,也解決了鈷藍顏料成本過高的問題,進一步拓展了凹凸棒石的應用領域。

  不過,王愛勤并沒有止步于這些成績。如何探索出助推甘肅凹凸棒石產業發展的全新“甘肅方式”,是他當下最操心的事。

  近兩年,王愛勤和他的團隊奔波于盱眙、蘭州、臨澤三地。僅2017年,王愛勤就9次前往臨澤,推動了甘肅凹凸棒石創新產業園的建設,目前已有3家企業入駐。

  然而,臨澤的凹凸棒石產業發展是塊“硬石頭”。面對不同礦點凹凸棒石差異較大,當地工業幾乎是零起步,引進技術人才困難這三大瓶頸,王愛勤深知,打造“甘肅方式”的路還很長。但是,他卻十分樂觀。王愛勤認為,要實現甘肅凹凸棒石產業化,必須腳踏實地,在引進優質企業的基礎上,建設柔性智能中試生產線;通過中試生產線來打通研發和產業化的瓶頸,并最終實現高值化的產業化應用,同時形成甘肅凹凸棒石產業可復制的發展路徑。

  “把論文寫在祖國的大地上,把科技成果應用到市場的需求中。”這是王愛勤時常掛在嘴邊的話。在他看來,科研工作不僅是發表論文、申請專利,更要解決實際問題,實現科技成果轉化。這個過程注定十分漫長,需要一步一個腳印走準、走穩。“臨澤就需要在這樣的一條路上慢慢走出來、做起來,只有這樣,才能實現‘凹凸棒石強縣’的愿景。”王愛勤說。

  18年來,王愛勤跑遍了國內凹凸棒石礦,先后3次去美國交流訪問……這一切都是為了把凹凸棒石“琢磨”透。目前,王愛勤是國際上發表凹凸棒石SCI論文最多的作者,他連續兩年入選全球高被引科學家榜單;他先后申請國家發明專利82件,其中獲授權45件,并成功轉化4個產品。他帶領團隊實現了基礎研究、應用研究與產業化融通創新發展,形成了具有自主知識產權的技術創新鏈,我國凹凸棒石研發水平由此從“跟跑”變為“領跑”。

  2019年1月8日上午,2018年度國家科學技術獎勵大會在北京人民大會堂隆重舉行。王愛勤團隊“基于濕法凹凸棒石高值利用關鍵技術開發與應用”榮獲2018年度國家技術發明獎二等獎。在王愛勤看來,這是對過去工作的肯定,但更是對未來工作的鞭策。

  很多人喜歡用“點石成金”描述王愛勤對凹凸棒石產業發展的貢獻。然而,王愛勤總是謙虛地說自己“沒有那么神奇”。在他眼里,凹凸棒石高值利用是他的夢想:它有天然的納米結構,它不可再生,還可以挖掘更多的用途,更要實現源于自然、用于自然、融于自然的應用理念……在王愛勤看來,他的研究和開發,只是用自己的化學背景和視角,將礦物轉化為功能材料,將實驗室樣品變為了產品,而這些都得益于學科的交叉和融合。

  然而了解他的人深知,在實現礦物到納米功能材料的背后,是王愛勤及其團隊18年如一日的執著探索與實踐。正是因為扎根凹凸棒石,堅持從基礎到應用,從研發到推廣,并始終以解決市場需求為目標導向,才會取得今天“點石成金”的神奇成效。

未經中國科學院蘭州化學物理研究所書面特別授權,請勿轉載或建立鏡像,違者依法必究
闽乐游棋牌游戏外挂
新时时五星玩法 后一6码倍投计划表 pk10赛车全天免费计划 任逍遥二期极限平特一肖 内马尔达席尔瓦 广东11选五软件手机版 棋牌娱乐下载 江苏11选5在线计划 足球比分直播即时比分 上海台彩票 北京pk拾开奖直播 上海时时视频直播 手机站设计 江西时时开奖号码 组选排三奖金多少 腾讯麻将