【甘肃日报】王爱勤:引领凹凸棒石研发 从“跟跑”到“领跑”

   

  王爱勤研究员 

   

  王爱勤(右二)在张掖临泽考察凹凸棒石矿分布情况。 

   

  王爱勤(右)与兰州化物所所长王齐华(左)研究甘肃凹凸棒石品位。 

   

  王爱勤(右二)向中国工程院院士印遇龙(右一)介绍凹凸棒石霉菌毒素研发与应用情况 

  新甘肃·甘肃日报记者 秦娜 通讯员 赵玉琴 毛可丽 刘晓程 

  5月18日,在张掖市临泽县召开的甘肃凹凸棒石创新发展研讨会上,众多国内专家聚焦凹凸棒石创新发展成果,多项临泽县凹凸棒石产业发展开放课题项目现场签约。随着产学研用协同创新平台的搭建运行,甘肃凹凸棒石产业发展又迈出坚实一步。

  凹凸棒石到底是什么?为什么如此受人垂青……原来,凹凸棒石是一种黏土矿物质。它主要形成于距今上亿年前的白垩纪和第三纪时期。在黏土界,它有“千土之王”“万用之土”的美誉。人们吃的大豆油需要用它脱色,以过滤掉黄曲霉素等有害成分;添加它做成的面膜,会更加平滑、通气、吸油力强,且高度环保;在食品包装袋中,用它吸收水分,食品会香脆可口……

  然而,这样一种神奇的黏土矿物在过去很长时间里却被人们当作“土”用。如今,将它“点石成金”的人,正是必威体育官方网站的王爱勤研究员及其团队。专注凹凸棒石研发近20年,他们让我国凹凸棒石研发水平从“跟跑”变为“领跑”。

  1 “结缘”凹凸棒石 

  王爱勤说,他与凹凸棒石的缘分好像是“命中注定的”,他第一次接触到的凹凸棒石来自甘肃临泽。

  2000年,一位企业家拿了块临泽当地的黏土矿找到王爱勤,向他介绍:“这个黏土矿是凹凸棒石,吸水能力可以达到1比300,可以做保水剂使用。”王爱勤当时正在做有机无机复合保水剂研究,看到这种“神奇的黏土矿物”立即进行了测试。但结果显示这种黏土矿物的吸水性并不高。

  在好奇心驱使下,王爱勤查阅了大量资料,发现原来这种黏土矿物很不简单,它具有特殊的棒状晶束形貌和规整的孔道结构。能否用凹凸棒石的棒晶在保水剂制备中起到物理辅助交联作用呢?

  怀着忐忑的心情,王爱勤指导博士生进行了相关研究。他们惊奇地发现,凹凸棒石添加量在30%时仍能达到单纯丙烯酸聚合保水剂的吸水能力,而凹凸棒石正是起到了类似混凝土中“钢筋”的作用。

  之后,在国家“863”和中国科学院“西部行动”等项目的支持下,王爱勤带领团队系统开展了凹凸棒石的改性研究,优化出利用凹凸棒石制备有机无机复合保水剂的最佳工艺条件,并在2004年与山东一家企业合作实现了产业化生产,产品应用于兰州市南北两山绿化和旱作农业生产中。

  保水剂的成功并没有让王爱勤团队停下凹凸棒石研究的脚步。相反,完成“打酱油”期后,他们对凹凸棒石的“感情”也更加“深厚”了。

  王爱勤介绍,凹凸棒石是一种具有棒状晶体结构的含水富镁的铝硅酸盐矿物,也是一种天然的纳米材料,结构负电荷和孔道使其具有很强的吸附、悬浮、触变、增韧补强能力。因而在国外被广泛应用于化工、建材、造纸、医药、农业、环保和食品等多个领域。

  王爱勤在调研中发现,早在上世纪90年代,一些外国公司就从国内大量采购凹凸棒石黏土矿,“以每吨100元的价格把矿石买过去,加工成产品,再以每吨2万元以上的高价卖给我们。”说到这里,王爱勤有些痛心。“这么好的东西,我们卖原料,他们卖产品,差价就是200倍!”

  我国的凹凸棒石矿发现于上世纪70年代中期,初级应用起步于1983年,到本世纪初产品的开发仍处于跟踪模仿阶段。“尽管我国凹凸棒石产业发展起步较晚,但我们必须走高值化利用发展路径,”王爱勤坚定地说。为此,2007年,王爱勤等人合作出版了《凹凸棒石黏土应用研究》一书,系统总结了我国凹凸棒石研究取得的阶段性成果,指出了我国凹凸棒石开发利用存在的问题,提出了凹凸棒石深层次开发的方向。

  “就在写完那本书的时候,突然觉得我们有责任深化对凹凸棒石的研究,也更有兴趣探究凹凸棒石的新用途。”王爱勤说,于是,团队从复合材料的研发转向了凹凸棒石本身。

  2 “情定”凹凸棒石 

  盱眙地处江苏北部,因其丰富的凹凸棒石资源,有着“中国凹土之都”之称。但多年来采用干法传统工艺生产,产品附加值较低,产业链也较短,直到2010年底盱眙县的凹凸棒石产值还不到4亿元。

  早在2003年,王爱勤就到过盱眙,考察了这里的凹凸棒石。因是火山喷发沉积而成,纯度高、色泽较白是苏皖凹凸棒石的特色和优势。于是,从2007年开始,他们将目光聚焦到江苏盱眙。在前期研究的基础上,2008年,王爱勤团队与当地一家企业合作建立了“凹凸棒石研发联合实验室”,决定走湿法高值利用工艺之路,使“黄金资源发挥黄金效益”。

  为了进一步推动政产学研的有效结合,2010年,王爱勤挂职盱眙县副县长,负责筹建中科院与盱眙县共建的“中科院盱眙凹土应用技术研发与产业化中心”,王爱勤和团队率先入驻中心,并先后引进了6个团队。

  “大自然真是伟大,一维的纳米棒晶、规整的孔道……”王爱勤毫不吝啬地表达着对凹凸棒石的偏爱。“但凹凸棒石高值应用的最大困难,就是如何解离棒晶束。”王爱勤解释道,“天然形成的凹凸棒石棒晶大多以鸟巢状或柴垛状聚集,要发挥纳米材料特性,就必须在不损伤纳米结构的前提下进行凹凸棒石棒晶束的高效解离。而这也是制约凹凸棒石产业化发展的世界性难题,当时尚无任何经验可循。”

  王爱勤介绍,国内外研究者通常采用高速搅拌、超声、碾磨和冷冻等传统处理方式,要么只能实现棒晶束部分解离,要么会损伤晶体固有的长径比,影响其纳米性能的应用。因此,必须另辟蹊径。

  “一定要攻克这些难题!”王爱勤坚定地说。而这一做就是五年。

  王爱勤带领团队系统研究了各种处理工艺对凹凸棒石微观结构的影响和棒晶的损伤程度,在大量实验的基础上,逐渐发展出“对辊处理—制浆提纯—高压均质—乙醇交换”一体化工艺。这一工艺在保持凹凸棒石固有长径比的前提下,成功实现了棒晶束的高效解离,棒晶达到纳米级分散,解决了干燥过程中纳米棒晶的二次团聚问题,实现了矿材料到纳米材料的华丽转身。基于此,2014年,王爱勤编撰出版了《凹凸棒石棒晶束解离及其纳米功能材料》一书。这项技术还获得了2015年度江苏省科学技术一等奖。

  有了凹凸棒石棒晶束解离技术,凹凸棒石高值应用就水到渠成了。王爱勤团队很快就研发出矿物凝胶、高效棕榈油脱色剂、霉菌毒素吸附剂等高值产品,并应用到市场中。

  一直以来,各种霉菌毒素的危害困扰着畜牧业发展,并且危害人体健康。王爱勤带领团队创造性的研发了凹凸棒石玉米赤霉烯酮和呕吐毒素吸附剂,并与企业合作建成了全自动化生产线,该项目获批江苏省科技厅2016年度重大成果转化项目,填补了我国高端霉菌毒素吸附剂自主研发和生产领域的空白,打破国外产品在此领域的技术和市场垄断。

  引进的创新研发团队为凹凸棒石产业发展提供了技术支撑,制约产业发展的棒晶束解离关键共性技术取得突破,但还缺少公共测试和服务平台。在中科院南京分院的支持下,王爱勤申请到了中国科学院科技服务网络计划(STS)区域中心“江苏凹土产业关键技术创新体系与示范服务平台建设”项目和江苏省凹土材料产品检测技术重点实验室,成立了全国非金属矿产品及制品标准化技术委员会凹凸棒石工作组,全面贯通了凹凸棒石产业发展的人才平台、研发平台和检测服务平台。

  截至目前,在当地政府创新驱动战略引导下,盱眙县已建成55家凹凸棒石黏土加工企业,形成了独具特色的产业集群和助推产业发展的“盱眙经验”。

  3 “智造”凹凸棒石 

  王爱勤并没有沉浸在“盱眙经验”的成功中,在他心里一直有一个“结”,这就是凹凸棒石的结缘之地——甘肃临泽。

  出生于甘肃民勤,毕业于兰州大学化学系,工作在中国科学院兰州化物所的王爱勤,始终有一种“甘肃情结”。而随着年龄的增长,想为甘肃做些事儿的愿望就越强烈。“必须找到甘肃凹凸棒石高值利用方式。”王爱勤下定决心。就这样,在有关部门的支持下,王爱勤从2017年开始将工作重心从江苏盱眙转移到甘肃。

  然而,不同于盱眙高品位凹凸棒石,甘肃地区的凹凸棒石多呈红色,同时伴生多种其他矿物,难以开发高附加值的产品,这也严重制约了甘肃凹凸棒石产业的规模发展。如何让红色低品位凹凸棒石结构性“转白”,成了王爱勤团队必须攻克的又一个难题。

  “早在2008年进行凹凸棒石棒晶束解离研究的时候,我们就在关注甘肃凹凸棒石的转白问题。”王爱勤介绍,甘肃凹凸棒石是湖相沉积形成的,凹凸棒石本身含量不超过50%,伴生着伊利石和云母等矿物,但混维矿物可以同步转化应用。经过攻关,王爱勤团队在实现湿法低品位凹凸棒石转白的同时,还突破了伴生矿的同步转化关键技术,这对蕴藏低品位凹凸棒石的甘肃等地区来说,无疑是重大“福音”。2017年,王爱勤团队的“低品位凹凸棒石关键共性技术研发及应用”获得甘肃省技术发明一等奖。

  王爱勤说:“凹凸棒石的奇妙之处,就在于它能因‘石’而异,可研发出不同的应用产品。”在研究过程中,王爱勤团队充分发挥红色凹凸棒石黏土本身的颜色特性,制备出新型铁红杂化颜料;基于棒晶束解离关键技术,他们利用凹凸棒石做成了钴蓝杂化颜料,使每吨生产成本降低了30%左右,既实现了凹凸棒石的高值化利用,也解决了钴蓝颜料成本过高的问题,进一步拓展了凹凸棒石的应用领域。

  不过,王爱勤并没有止步于这些成绩。如何探索出助推甘肃凹凸棒石产业发展的全新“甘肃方式”,是他当下最操心的事。

  近两年,王爱勤和他的团队奔波于盱眙、兰州、临泽三地。仅2017年,王爱勤就9次前往临泽,推动了甘肃凹凸棒石创新产业园的建设,目前已有3家企业入驻。

  然而,临泽的凹凸棒石产业发展是块“硬石头”。面对不同矿点凹凸棒石差异较大,当地工业几乎是零起步,引进技术人才困难这三大瓶颈,王爱勤深知,打造“甘肃方式”的路还很长。但是,他却十分乐观。王爱勤认为,要实现甘肃凹凸棒石产业化,必须脚踏实地,在引进优质企业的基础上,建设柔性智能中试生产线;通过中试生产线来打通研发和产业化的瓶颈,并最终实现高值化的产业化应用,同时形成甘肃凹凸棒石产业可复制的发展路径。

  “把论文写在祖国的大地上,把科技成果应用到市场的需求中。”这是王爱勤时常挂在嘴边的话。在他看来,科研工作不仅是发表论文、申请专利,更要解决实际问题,实现科技成果转化。这个过程注定十分漫长,需要一步一个脚印走准、走稳。“临泽就需要在这样的一条路上慢慢走出来、做起来,只有这样,才能实现‘凹凸棒石强县’的愿景。”王爱勤说。

  18年来,王爱勤跑遍了国内凹凸棒石矿,先后3次去美国交流访问……这一切都是为了把凹凸棒石“琢磨”透。目前,王爱勤是国际上发表凹凸棒石SCI论文最多的作者,他连续两年入选全球高被引科学家榜单;他先后申请国家发明专利82件,其中获授权45件,并成功转化4个产品。他带领团队实现了基础研究、应用研究与产业化融通创新发展,形成了具有自主知识产权的技术创新链,我国凹凸棒石研发水平由此从“跟跑”变为“领跑”。

  2019年1月8日上午,2018年度国家科学技术奖励大会在北京人民大会堂隆重举行。王爱勤团队“基于湿法凹凸棒石高值利用关键技术开发与应用”荣获2018年度国家技术发明奖二等奖。在王爱勤看来,这是对过去工作的肯定,但更是对未来工作的鞭策。

  很多人喜欢用“点石成金”描述王爱勤对凹凸棒石产业发展的贡献。然而,王爱勤总是谦虚地说自己“没有那么神奇”。在他眼里,凹凸棒石高值利用是他的梦想:它有天然的纳米结构,它不可再生,还可以挖掘更多的用途,更要实现源于自然、用于自然、融于自然的应用理念……在王爱勤看来,他的研究和开发,只是用自己的化学背景和视角,将矿物转化为功能材料,将实验室样品变为了产品,而这些都得益于学科的交叉和融合。

  然而了解他的人深知,在实现矿物到纳米功能材料的背后,是王爱勤及其团队18年如一日的执着探索与实践。正是因为扎根凹凸棒石,坚持从基础到应用,从研发到,并始终以解决市场需求为目标导向,才会取得今天“点石成金”的神奇成效。

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