日前,“第十一屆中國凹土高層論壇”召開之際,在江蘇盱眙召開了一場關于玉米赤霉烯酮吸附劑的新產品發布會,中國科學院蘭州化學物理研究所與合作企業江蘇神力特生物科技股份有限公司(簡稱神力特公司)發布了最新研制生產的凹凸棒石玉米赤霉烯酮吸附劑,標志著該產品已進入產業化推廣階段。
“黏土礦物大多是采用傳統的擠壓、研磨、煅燒和篩分等加工工藝生產的產品,產品的附加值很低,而許多黏土礦物是天然的一維或二維納米材料,傳統的處理方法釋放了黏土礦物的基本特性,但仍沒有實現納米特性的有效應用。”王愛勤研究員現任中科院蘭州化物所環境材料發展中心主任,多年來一直從事凹凸棒石高值研究。
3年前,江蘇神力特生物科技股份有限公司找到王愛勤,想合作開發凹凸棒石玉米赤霉烯酮吸附劑,王愛勤提出的唯一要求是,在產品開發成功后要建一條全自動的生產線。“只要產品性能達到國外同類產品水平,這個沒問題。”神力特公司董事長黃正君表示。于是,雙方正式“牽手”。
王愛勤告訴《中國科學報》記者:“黏土礦物要實現‘華麗轉身’,產品性能穩定,必須向濕法、自控的新工藝轉型升級。”
濕法生產是高值利用的前提
凹土即凹凸棒石粘土,是一種稀缺的非金屬礦產資源。我國凹凸棒石資源儲量豐富,凹土被廣泛應用于吸附劑、催化劑、懸浮劑和功能材料等,堪稱“土黃金”。從20世紀80年代以來,凹土產業的發展經歷了起步、仿制和自主創新等階段。
作為我國凹凸棒石產業發展的代表,江蘇盱眙目前有凹凸棒石黏土加工企業55家,生產產品50余種,已經形成了產業集群,但90%以上的企業采用干法或半干法生產,產品的附加值低,產品售價大多在1000~3000元/噸。
據王愛勤介紹,干法工藝生產的產品性能完全取決于凹凸棒石的品位,而隨著優質礦產資源的不斷減少,濕法工藝成為必然選擇。這是由于天然形成的凹凸棒石往往會同時共生其他礦物,尤其是含有石英砂,不除去石英砂和碳酸鹽等伴生礦物,就不能實現礦物材料到功能材料的應用。
為此,他們從礦物的含水量、對輥次數、制漿濃度到除砂目數、干燥方法和水的循環使用,開展了系統的研發工作。在與江蘇玖川納米材料科技有限公司合作中試的過程中,由于試驗環節多、參數量大,合作企業甚至對這樣的工藝產生懷疑。
經過歷時3年的反復試驗,2011年終于實現了凹凸棒石濕法的間歇式生產,凹凸棒石產品的售價達到了每噸5萬元以上,合作企業露出了笑容。
王愛勤告訴記者,凹凸棒石棒晶是一種天然的一維納米材料,但較強的氫鍵和靜電作用力,使天然凹凸棒石棒晶大多以鳥巢狀或柴垛狀聚集,成為制約凹凸棒石黏土產業發展的關鍵瓶頸因素。
“我們開發的對輥處理—制漿提純—高壓均質—乙醇交換一體化工藝,在保持凹凸棒石固有長徑比前提下,成功實現了棒晶束的高效解離,棒晶達到納米級分散,是真正意義上的納米材料,這是高值化利用的前提。”王愛勤說。
在間歇式濕法工藝取得突破后,王愛勤的研究團隊又與江蘇惠達礦業有限公司開展了凹凸棒石棕櫚油脫色劑的開發工作。這是將機械處理、提純處理與表面無機或有機改性等工藝相結合,成功實現了連續制漿改性,大大縮短了工藝流程。
提及濕法工藝,人們總將其與廢水污染聯系起來。王愛勤告訴記者,與二維黏土礦物不同,凹凸棒石是一維棒狀形貌,改性過程是在棒晶表面上改變表面電荷,再加上均質過程的促進效應,所需要的改性劑量較小,同時工藝過程中的水可循環使用,不會對環境造成污染。
“吸毒劑”:玉米赤霉烯酮吸附劑
玉米赤霉烯酮廣泛存在于霉變的玉米、高粱等谷類作物中,動物食用后主要表現為慢性毒性、致癌作用、生殖毒性、發育毒性及遺傳毒性,可引起動物流產、死胎、返情等生殖異常現象。
吸附法是目前去除毒素最有效的方法之一,但已有的產品主要是采用蒙脫石、高嶺土、伊利石和沸石等研制的,對玉米赤霉烯酮的吸附率都較低,而凹凸棒石在霉菌毒素吸附方面仍是空白。
作為國內最早開展凹凸棒石研究的單位之一,中科院蘭州化物所已先后出版了《凹凸棒石黏土應用研究》和《凹凸棒石棒晶束解離及其納米功能復合材料》兩本專著。在凹凸棒石微觀結構與構效關系基礎上,針對玉米赤霉烯酮的分子結構和極性,采用凹凸棒石棒晶束“拆”與“裝”的原理,實現了凹凸棒石對玉米赤霉烯酮的定向吸附,且不會對飼料中的礦物質、維生素等營養成分進行吸附。
在完成實驗室工藝定型后,合作雙方就如何建自控生產線展開了討論。由于自控系統資金投入較大,企業期望設備選型適中即好,而王愛勤團隊堅持高投入、高水準、全自動,經過多輪討論最終采用了自控方案。2015年底在公司建成了全自控1萬噸/年生產線,產品經用戶應用后其效果達到國外同類高端產品性能。
一直以來,應對各種霉菌毒素的危害是畜牧業工作者的一大難題。凹凸棒石玉米赤霉烯酮吸附劑項目上接凹凸棒石資源高值化利用,后促畜禽養殖產業健康發展,同時還能實現我國高端霉菌毒素吸附劑自主產業化生產,突破國外產品在此領域的技術和市場壟斷,對食品安全和人類健康都能發揮積極的作用。
邁向工藝智能化
近日,中國建筑材料聯合會印發了《建筑材料工業“十三五”科技發展規劃》。在分析存在的問題時,《規劃》指出,“我國黏土礦物材料產品附加值低,產品性能還不能滿足實際需求,信息化處于發展階段,智能化還在探索當中”。“工藝自主創新不足且缺乏連貫性和系統性,難以引發或推動產業鏈的整體創新”。
在“第十一屆中國凹土高層論壇”開幕式上,中科院蘭化所與神力特公司又簽署長期合作協議。“我們只是黏土礦物智能化工藝的探索者和實踐者?,F在,雙方強強聯合,將進一步研發系列新產品,提升工藝自動化水平,該研究內容已被列為研究所‘一三五’規劃中的三個重點突破方向之一。”中科院蘭州化物所所長夏春谷研究員告訴記者。
王愛勤表示,團隊接下來將與神力特公司繼續完善技術工作,進一步提升工藝的智能化水平。
他期望,濕法自控工藝能推動更多凹土企業從傳統工藝向智能化生產邁進,并帶來顯著的經濟效益、社會效益和環境效益。
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