緩解“白色汙染”，纖維素基材料綠色加工領航者
——專訪纖維素膜清潔生產新工藝技術發明人張軍博士
隨著人類社會工業化進程的不斷推進，大氣霧霾、森林面積減少、溫室效應、白色汙染等越來越多的環境問題正困擾著人類正常的生活。其中，由於不可降解的石油基聚合物包裝材料的大量使用，使得白色汙染這一問題在全球有愈演愈烈之勢。英國《衛報》和《時代週刊》分別進行過“人類最糟糕的發明”的評選，入選名單中均包括了不降解的塑料袋。《衛報》稱，我們的地球似乎已經變成了塑料星球，土地、河流、高山、海洋，總之塑料袋無處不在，直到有一天，我們都已離去，這些東西仍然佔據著地球，因為它們是“永存”的。中國中央電視臺曾播出了“莫讓地膜成地魔”的一小時專題片，記錄了我國新疆地區由於大面積、長期使用不降解塑料地膜造成的土質劣化、棉花減產的困境。近年來，電子商務和快遞物流行業在我國得到突飛猛進的發展，天貓2017年雙十一僅一天的成交額高達1682億元。隨之而來的是，過度包裝和大量不降解包裝材料的使用造成大量的包裝垃圾。中新網、新浪、搜狐等眾多媒體發問：“人們在享受快遞狂歡之後，天量的包裝垃圾去哪了?”不降解包裝材料造成的環境汙染問題已經引起了全社會高度關注，開發和推廣使用可生物降解的綠色包裝材料正形成廣泛的共識。2017年11月2日，國家郵政局、國家發改委、科技部、工信部、環保部、住建部、商務部、國家質監總局、國家認監委、國家標準委聯合發佈《關於協同推進快遞業綠色包裝工作的指導意見》，明確要求，到2020年，可降解的綠色包裝材料在快遞業中的應用比例將提高到50%。
雖然人們經常高呼著“保護地球”的口號，但需要“保護”的一直都不是地球。地球自誕生以來的46億年中，有溫度比現在高十幾度的時候，有二氧化碳濃度比現在高十倍的時候，但地球依然是地球，毀滅的只有地球上的物種，因此需要“保護”的一直都是人類自己。在目睹了越來越嚴重的“白色汙染”環境問題後，身為中科院科研人員的張軍博士深感責任重大，他們的團隊成員長期致力於環境友好高分子材料方面的研究，希望通過自己的研究能最大程度的緩解目前“白色汙染”對環境的危害，為了更加美好的地球環境而貢獻自己的力量。他們的研究成果“纖維素膜清潔生產新工藝”產業化項目便由此應運而生。
張軍博士(中)在纖維素膜清潔生產新工藝工業試驗現場
【發展生物降解材料 攻堅纖維素突破口】
可生物降解高分子材料的開發已經引起全球範圍內企業和資本的關注。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(如纖維素、澱粉材料等)。聚乳酸等人工合成的生物降解塑料的生產規模已經達到了相當大的規模，但這類材料的問題是成本較高、膜性能還有待改善。纖維素是自然界中最豐富的天然高分子，每年的產量高達1011到1012噸，幾乎取之不盡、用之不竭，可再生、可生物降解的特性讓它擁有了巨大的商業價值。纖維素產品應用廣泛，其中的纖維素膜製品廣泛應用於食品、藥品、化妝品、高檔成衣、精密儀器、電池、禮品等包裝領域以及可降解膠帶。張軍科普到，纖維素是從自然界誕生，它是從植物裡面提取而來的，我們日常生活中衣服裡面的棉纖維，其實都是纖維素，其化學結構是由葡萄糖單元組成的多糖。纖維素材料在空氣中，即便放100年它也不會被破壞，但只要把它埋在土壤或生活垃圾中，在微生物的存在下，幾周之內就會降解為二氧化碳和水。
雖然纖維素的原料儲量巨大、可再生，纖維素膜性能優異、無毒環保、可生物降解。但纖維素的加工卻非常困難，這是由於纖維素特殊的結構所造成的。張軍博士補充道：“在自然界長期存在的生物質材料要想把它的結構破壞並加工成型是非常困難的”。通俗地講，纖維素雖然是綠色、可持續的原料，幾乎是取之不盡、用之不竭，纖維素膜產品性能也很好，更擁有可生物降解的特性，但是纖維素膜的高效、清潔生產是最大的挑戰，也是世界性科學難題。因為不能熔化、難以溶解，纖維素膜的傳統生產工藝能耗高、汙染重，極大限制了這一行業的發展也限制了纖維膜產品的廣泛使用。而張軍博士團隊發展的纖維素膜清潔生產新工藝就是要解決這個行業難題。
張軍領導的中科院化學所科研團隊近二十年來的主攻方向就是發展纖維素的綠色加工與功能化的新原理和新方法，並獲得科技部(973和支撐計劃)、國家基金委(傑出青年基金)和中科院的長期支持。經過多年努力，他們設計發明了可高效溶解纖維素的綠色溶劑-離子液體，發展了基於離子液體溶劑體系的纖維素材料綠色加工和功能化的新原理和新方法。簡單說來，張軍團隊研發的新溶劑，可以高效物理溶解纖維素，從而使纖維素材料(膜和纖維)的生產過程更加簡單、高效和環境友好。他們的研究成果獲得了2013年度北京市科學技術一等獎。在北京研究實力雄厚的高校、研究所云集，他們的成果能在參加評選項目中拔得頭籌，足以見得這項技術的學術創新性和應用潛力。
基於張軍課題組發明的“可高效溶解纖維素的離子液體新溶劑體系”，2011年，中科院化學所與山東恆聯集團正式開始合作，共同開發基於離子液體溶劑法的再生纖維素膜(玻璃紙)的清潔生產新工藝的產業化技術。經過雙方技術團隊六年的研發，完成中試實驗，完成關鍵設備的研製、定型和加工，打通了溶劑合成、纖維素溶解、成膜、洗滌、乾燥和回收的整個工藝路線，建立和完善了質量評價體系，成功開發出了紐賽璐纖維素膜和膠帶等目標產品，提供給客戶試用，用戶反饋很好並要求批量供貨。2014年，由雙方合作開發的“綠色纖維素膜清潔生產新工藝”項目通過成果鑑定，鑑定結論為：“以離子液體直接溶劑法生產纖維素膜的工藝為國際首創，其綜合技術水平國際領先”。2016年11月，化學所和恆聯集團簽署“紐賽璐纖維素膜”項目聯合出資協議，成立山東中科恆聯生物基材料有限公司，正式啟動纖維素膜清潔化生產新工藝的產業化進程。2016年該項目入駐濰坊市生物基纖維材料產業園(國家級)，目前新廠房已基本建設完成，定製設備陸續到位，預期今年8月份開始試車並投入生產。該項目投產後，將是國際上第一條纖維素膜清潔生產生產線，對我國纖維素行業的技術轉型和升級具有重要意義。
（資料圖）
【發展綠色可降解包裝材料勢在必行 降低成本是關鍵】
聚烯烴塑料膜的性能良好，是目前使用量最為廣泛的材料。但人們公認聚烯烴塑料膜產品的濫用是目前“白色汙染”的罪魁禍首。這是因為，聚烯烴塑料膜大多用於我們生產、生活中的一次性使用材料，如商場購物袋、餐盒、農用地膜等，使用完後就沒有了使用價值，因為質量輕、被汙染的緣故，幾乎無法回收，或者是沒有回收價值。因此，作為一次性使用的包裝膜材料和農用地膜材料是迫切需要使用可生物降解材料的。
也許很多人都有這樣一個疑問，既然纖維素膜比起聚烯烴膜如此環境友好，為何聚烯烴膜依舊是我們生產、生活中最常見的包裝材料呢?對於這個問題，張軍解釋道，主要的原因，還是成本造成的。目前的塑料薄膜的主要原材料聚烯烴是以石油為基礎原料的大石化產品，生產規模大、效率高，因此產品的成本很低，如聚乙烯或聚丙烯薄膜的價格一般是目前纖維素薄膜的三分之一左右。目前纖維素膜的生產工藝被稱為粘膠法，其生產過程工藝複雜、能耗高，所用化學品種類多、毒性和腐蝕性強、消耗量大。生產過程中產生大量有毒廢氣和酸度大、難治理廢水。由該工藝生產出的纖維素膜成本高，還面臨著日益嚴峻的環保壓力，西方發達國家在上世紀80年代之後就開始陸續關閉粘膠法生產企業，近年來國內粘膠企業迫於環保壓力也開始關閉，國家已不再批准新的粘膠法產能。
張軍博士團隊和中科恆聯開發的纖維素膜清潔生產新工藝和傳統粘膠工藝相比生產週期由原來的2-3天縮短為30分鐘，生產成本可降低30%，具有顯著的成本優勢。新工藝使用綠色環保溶劑-離子液體和水，通過系列化工分離過程，纖維素膜生產過程中使用的溶劑和水均能有效回收和再利用，無廢水和廢氣排放，較傳統工藝具有顯著的環保優勢。
“毫無疑問，提高新工藝的生產規模將進一步降低纖維素膜產品的生產成本，如果纖維素膜的產品價格能接近目前的聚烯烴薄膜的話，其市場潛力是巨大的。”研發團隊計劃未來能儘快實現大規模生產，首先迅速佔領粘膠法生產工藝生產的纖維素膜市場，進而在不同應用領域逐步替代不可降解聚烯烴薄膜。
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【進一步發展生物降解材料新技術 拓展環保材料應用新領域】
即便張軍團隊開發的纖維素膜清潔生產新工藝產業化項目，是中科院STS雙創引導計劃中的優秀項目之一，但這個技術的產業化僅僅是開始。為了能提高纖維素膜在生活中的更廣泛應用，目前張軍博士團隊正在開發低品質纖維素原料高值化利用的綠色製造新方法與新技術，該項目剛剛獲得了中科院的項目支持。張軍博士說：“這是目前纖維素膜清潔生產新工藝項目的延伸和發展，是新一代技術。秸稈利用是大問題。我國每年產生7,8億噸的農業秸稈，現在全國農村各地均禁燒秸稈，因為汙染環境。秸稈高效利用是個世界性難題，目前的秸稈焚燒發電、秸稈粉碎還田、秸稈制乙醇等技術均缺乏經濟性，沒有政府補貼很難持續。因為秸稈是低能量密度物質。“他們希望通過持續研究，開發新一代生產技術，把纖維素工業無法使用的原料“變廢為寶”。“如果我們以秸稈為主要原料，生產出可生物降解的薄膜，其價格將有望接近目前的聚丙烯薄膜材料，將其加工成可生物降解的膠帶產品，在快遞物流行業具有廣闊巨大的應用前景。目前這個項目的可行性研究已經在實驗室完成，我們正在開發規模化生產的工業化技術和設備。希望兩三年後我們能完成這個項目，在市場上推出由秸稈原料生產出的各種綠色包裝膜產品。”張軍補充道。
張軍團隊希望能將此項技術成果投入市場進行大規模生產以及廣泛的推廣及應用，資本的助力將成為推動行業發展的重要力量。同時，政府的倡導，也將讓可降解的生物基包裝材料的廣泛使用成為未來的一種趨勢。
對於張軍這樣做科研技術的人員來說，一項新技術能被市場接受和認可是對其科研工作最好的回報。環境友好材料的開發是對我們全人類有益的事業，也應被更多的人重視。環境保護任重道遠，雖然“野蠻生長”的工業化進程是環境破壞的始作俑者，但也期待未來能有更多張軍這樣的科研人士不斷加入到環境友好材料的開發隊伍，用新技術造福人類，守護我們共同的地球家園。
標籤：科技,創新
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