【科学头条】产学研用结合 让世界级稀缺资源变“点金棒”

日期: 2022-09-08 阅读: 来源: 关键词:

将一堆不起眼的土红或灰白色黏土放在显微镜下,可以看到一根根棒状晶体紧密平行聚集而成棒状晶束,有规整的多孔道针状结构。晶束再和其他矿物彼此夹杂、相伴相生。

从1862年俄国学者首先发现,到上世纪30年代美国开始开发利用,再到70年代在我国江苏六合地区发现大型矿床,这种来自白垩纪以后的地层中的黏土矿——凹凸棒石,因其独特的分散、粘结、增稠、抗盐碱等良好的胶体性质和较高的吸附、缓释、脱色能力,在化工、医药、环境、新材料、农牧业、建材、石油、冶金、食品、化妆品等100多个领域有着广泛的应用,因此被称为“千土之王、万用之土”。

长期从事无机化学、稀土化学研究的兰州大学化学化工学院教授、兰州大学绿色材料研发中心主任刘伟生,十多年来将目光聚焦于此,通过产学研用结合,将这种世界级稀缺资源做出了绿色农业和高附加值工业产品的大文章。

绿色农业新希望

甘肃白银市的凹凸棒石矿

凹凸棒,简单说就是一种天然的一维纳米级材料。

我国凹凸棒石资源具有极大优势,主要分布在甘肃以及苏皖交界处。甘肃境内发现的凹凸棒石黏土矿带,主要集中在张掖、白银两地,现已探明混维凹凸棒石黏土矿资源量为13.5亿吨,远景储量达44亿吨,占世界储量的一半以上。甘肃的凹凸棒石黏土矿缺点是品位相对低、伴生矿多,优点是富含有益的微量元素,更适合用于绿色农业的发展。

注意到凹凸棒石超强的吸附、缓释能力,以及伴生矿的影响,2005年,刘伟生决定首先从最基础的提纯、活化、超微化和功能化入手。

他将采集的样品带回学校,通过加热、微波、超声、搅拌、加活化剂等方式将凹凸棒从其他的伴生矿中解析出来,使1克凹凸棒比表面积达到120-200平方的房子面积那么大。

刘伟生进一步发现,甘肃矿带中的凹凸棒富含碘、硒、锌、硼等19种微量元素,将活化后的凹凸棒肥料拌在土壤中,可以在土壤缺少肥料时再慢慢释放,补充微量元素,不会对土壤和农作物带来任何副作用,实现了从土壤中来,到土壤中去的资源化循环利用。

凹凸棒肥料马铃薯田间试验示范田

既然凹凸棒这么好,它还能有什么用?如何把作用发挥到最大?

2007年,课题组与兰州分离科学研究所共同申报了农业部“农业科技成果转化资金项目”——“多功能生态肥料的开发与示范推广”,并与甘肃农业大学及榆中县农技推广中心合作,进行了凹凸棒肥用于农作物的规模化、规范化科学试验。

在兰州市永登县中川镇及榆中县和平镇、定远镇等地的实验田里,凹凸棒肥料和马铃薯以及其他蔬菜相伴生长。一季菜成熟后,结果喜人:农产品节水节肥,产量提高,微量元素含量更高,得到专家组一致认可。

甘肃省武威市三农欣庆环保科技有限公司10万吨凹凸棒肥料生产线

2009年,课题组和甘肃三农欣庆环保科技股份有限公司联合组成产、学、研研发团队,研制出“矿物微量元素+有机质+微生物种群”的新一代三维一体生态肥料,在甘肃已有多家企业批量生产,并有新疆、陕西、四川、山东、河南、湖南、云南、江苏、黑龙江等十多个省市、自治区加盟使用推广。相关产品获得了“2015世博会KIP国际馆特别专供有机农产品”、“2015世博会联合国花园指定有机肥”,并于2019年4月通过中科高技术企业发展评价中心组织的第三方专家评议会,评议会成员一致认为,该项目在同类产品应用中达到国际领先水平,建议加大推广应用。同年,该成果获得甘肃省科技进步一等奖。

凹凸棒矿物复合微生物肥料在四川大凉山的草莓示范基地

经多年田间试验,泰国正大集团测定使用这种肥料的果、菜农作物平均增产5%—15%,微量营养元素碘、硒、锌平均提高30%至3倍,铅、汞等有害元素最多降低了1.5倍。马铃薯增产5%—20%,商品率提高25%,节肥近40%。粮食作物玉米蛋白质,由国家一级标准的9%提高至10.38%。

2020年11月,在第二十二届中国国际高新技术成果交易会上,刘伟生团队研发的“凹凸棒石工业化应用项目”“凹凸棒石基土壤改良剂”作为兰州大学推荐项目参展。在2020年举行的深圳创新创业投资大会上,“凹凸棒石在绿色农业中的应用”项目从全国4900多家团队脱颖而出,获得“最具投资价值团队TOP5”奖项。目前,山东名邦环保科技有限公司计划对该项目投资生产。

“这种肥料建议每亩地使用100-300公斤左右,特别适用于高附加值的经济作物生产中,有望取代传统有机化肥,估算市场前景可达百亿级。”刘伟生说,“国家非常重视粮食安全问题,未来中国的粮食安全必须加大科技支撑在提高‘数量’的同时兼顾‘质量’,例如正在大力推行的测土配方施肥工作,也就是精准施肥,提质增效。我们的肥料可以根据每个地方土壤的具体情况和作物的种类进行比例调配、个性化定制,为了更安全有效和高品质的农作物生产,这个研发成本和过程是必要的。”

高端产品大舞台

要把凹凸棒系列产业链补齐,中高端产品都不可或缺,特别是高附加值的高端产品这一块。

就橡胶添加剂市场而言,2022年,全球天然橡胶消费量料同比增加1.2%至1423.2万吨,随之带来的橡胶添加剂的需求也是可观的市场。目前,橡胶最理想的补强材料仍然是炭黑,但其生产工艺复杂、环境污染大、价格较高,所以寻找新的廉价环保型补强材料已成为一种趋势。

由于凹凸棒石来源广泛、价格低廉、环保无污染,将其通过一定的途径制成环保型橡胶填充增强剂,并制备出橡胶/凹凸棒石复合材料是橡胶材料界的发展趋势。到2020年凹凸棒石橡胶添加剂的需求量已达到300万吨/年。

近年来针对橡胶/凹凸棒石纳米复合材料的研究较多,但是大多存在凹凸棒均匀分散及棒晶与橡胶链紧密结合等难题,还未发现复合材料工业化的报道。纳米级凹凸棒石在高分子材料中的应用,不仅可以大大提高复合材料的成核性能、力学性能、尺寸稳定性和抗老化性能,而且由于纳米级凹凸棒石具有的量子效应,也能赋予材料一些新的特征。但由于凹凸棒石结构特殊,是一种亲水性的无机纳米粉体材料,其与大多数表面为疏水性的聚合物材料之间的相容性很差,因此很难与聚合物材料之间通过机械混合的方法来制备纳米复合材料。

凹凸棒石/丁腈橡胶的工业化试验:胶料压块现场

刘伟生课题组经过10多年的技术探索,采用由自主研发的改性凹凸棒石,利用乳液共絮共凝法,制备橡胶/凹凸棒石纳米复合材料,解决了凹凸棒石在橡胶中难以均匀分散的难题。同时还对其改性工艺、添加方式、添加量对橡胶的微观结构、热稳定性能、力学性能、老化性能、耐溶剂性能等的影响进行研究,已申请相关专利11项,形成专利保护群,其中已授权4项。

专利技术在兰州石化公司的大力支持下,利用中国石油兰州石化公司1.5万吨丁腈橡胶生产线,将实验室成果进行了凹凸棒石/丁腈橡胶纳米复合材料的工业化中试,实现了实验室技术向工业化生产的转化。测试结果表明:所制备的新型丁腈橡胶拥有良好的力学性能,其性能达到了丁腈橡胶的优级出厂指标,略优于国外进口的丁腈橡胶;其混炼、热炼、硫化及休整工艺能够很好的控制,满足批量生产的要求;所生产的丁腈橡胶密封产品性能优良,满足产品要求。该项目现已进入工业化实验阶段,有望在浙江投产,全球市场前景可达数十亿元。

将资源优势彻底转变为产业优势

甘肃关于凹凸棒产学研的布局,已开展了近十年,刘伟生所做的工作始终是其中重要的一环,他先后担任“甘肃省凹凸棒石工程技术研究中心”学术委员会主任,“甘肃省凹凸棒石矿产资源综合利用工程研究中心”主任等职务,所合作的企业在白银高新技术产业园崭露头角、成功上市,所营造的专家“朋友圈”遍布中科院兰州化物所、北京大学、南开大学、西北工业大学、广东工业大学等科研院所。

2018年9月,基于凹凸棒的优势资源,兰州大学绿色材料研发中心成立,主要以绿色材料的研究与产品开发为主,大力发展新产品转移转化能力,同时进行兰州大学面向重庆、江苏、山东、甘肃等省份技术转移中心的建设。

研制-中试-产业验收生产”是凹凸棒从实验室到企业车间要走的三步路,结合国家政策、学校制度和当地实际情况,刘伟生团队在十多年的探索中找到以技术转让、合作开发和共建研究平台资源共享三种模式。

沂兰绿色材料产业研究院

借助江苏优质的凹凸棒石资源,由江苏新沂经济开发区管委会、兰州大学刘伟生人才团队、江苏利民土壤修复有限公司共同出资成立的新沂市沂兰绿色材料产业研究院有限公司于2020年12月正式成立,第一阶段总投入约500万元。

2020年,兰州大学将“一种凹凸棒土的改性方法”“天然矿物凹凸棒石制备黄色荧光粉Sr3SiO5∶M1,M2(M1=Ce3+或Eu2+,M2=Li+或Ba2+)”2项专利以作价投资的转让类型成功转让给沂兰绿色材料产业研究院有限公司,至此,江苏新沂市与兰州大学“遥相呼应”,实现远程资源共享。

今年2月,致力于现代农业综合产业发展的国有重点企业——中国融通农业发展集团公司负责人和白银市领导来兰州大学考察调研,以期将凹凸棒项目进一步落地白银,为绿色中国、健康中国和乡村振兴做出应有的贡献。

神奇的凹凸棒,已被《甘肃省国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标纲要》明确了战略性新兴产业地位。“推进西北地区凹凸棒石新材料产业发展,对于满足生产消费升级和战略性新兴产业发展需求,加快推动产业绿色转型意义重大。”全国政协委员、甘肃省工业和信息化厅副厅长黄宝荣在今年的两会期间表示。

关于凹凸棒资源的开发、研究、应用,刘伟生认为目前只能达到40-50%的程度,“凹凸棒有着不可估量的战略地位和市场前景,希望通过建立产学研用创新基地,获得更多的政策支持,提高科技成果转化应用的速度,不断健全凹凸棒石全产业链,推进凹凸棒石产业化发展。”

近日,由甘肃张掖院士专家工作站发起,刘伟生参与撰写的中国科学院学部咨询评议项目“我国凹凸棒石资源利用的现状及发展建议”也已完稿,希望国家根据江苏、安徽、甘肃等凹凸棒主产区矿带的不同特点,制定全产业链差异化错位发展战略,将资源利用发挥到最大化,将资源优势完全转化为技术优势和经济优势。

发现错误?报错
文:法伊莎,李蕾
图:
视频:
编辑:郭敏杰
责任编辑:彭倩

推荐关注

阅读下一篇