破解“土黄金”的“密码” ■本报记者
刘晓倩
有一种神奇的土叫凹土,其长相与同类无异,却是一种稀缺的非金属矿产资源。在棕榈油原油中加入它,可使油品变清透,并过滤黄曲霉素等有害物;在塑料中加入它,产品不易老化还可阻燃;在沐浴液中加入凹土,泡沫细腻易清洗然而,凹土此前却被用作低附加值的干燥剂、吸附剂,以每吨900元低价销售。近日,记者从中科院兰州化学物理所获悉,该所研究员王爱勤与江苏一家企业合作,破解了凹土的密码,通过高压均质技术使凹土中的棒晶束解离,其开发的纳米无机凝胶新产品每吨可卖到4000元以上。偶遇凹土一次偶遇,让王爱勤与凹土结缘。凹土,即凹凸棒石黏土,是在数千万年的地质形成过程中,黏土结构不断改变,由火山沉积变质形成的一种以凹凸棒石为主要成分的黏土矿物。我跟凹土是有缘分的。王爱勤回忆道。2001年,王爱勤正在用膨润土开发保水剂,一位企业家带着凹土来到了实验室,称这种土的吸水性能可以达到1:300。作为一种非金属矿物质,王爱勤不用看也知道凹土不可能那么神奇,但是在显微镜下,他发现了另一份惊喜凹土特殊的棒晶束结构。从此,王爱勤开始了长达十几年的凹土研究。他们研制出的第一个产品就是加入凹土的复合保水剂,其成本低、耐盐碱性能比膨润土好。经过7年实践,王爱勤发现了一个问题:为什么不同地区的凹土或同一地区不同矿层的凹土做出保水剂的保水程度不一样?2007年,王爱勤开始了对凹土微观结构的研究。探秘微观结构在王爱勤的实验室里,记者看到来自甘肃与江苏的两种凹土样本。产自甘肃的凹土颜色微红,产自江苏的凹土呈白色。王爱勤说,凹土的颜色与纯度无直接关系,只是红色凹土中有微量的三价铁离子,偏绿色则是伴生了铜离子。凹土中最关键的微观结构是棒晶,在显微镜下,棒晶以棒晶束聚集,好似一堆稻草,科研人员要做的是在不破坏棒晶结构的前提下,把这些聚集在一起的稻草解开,一根一根地排列,这样才能发挥他们纳米材料的功效:发育完全的棒晶束胶体性能强,可以放在牙膏、沐浴液中;发育不完全的棒晶束吸附性能强,可以用作吸附剂。经过多种处理方式试验后,王爱勤发现对辊、高速搅拌和酸处理结合可以使凹土中90%的棒晶束解离。破解产业化密码但在紧接着的中试中,新的问题产生了:在实验室里,很容易实现1万转的高速搅拌,但在工业化中,没有一种设备可以达到1万转。在众多的设备选择中,王爱勤最后锁定了高压均质技术,它是通过瞬间碰撞,形成空穴效应,使得棒晶束解离而不损伤棒晶。王爱勤欣喜地对记者说,目前江苏正在建设5万吨工业生产线。对于凹土未来的发展,王爱勤提出了味精式应用的概念:棒晶束解离后,只需在高分子材料中加入百分之一的凹土,就可以改善产品的力学性能、机械性能,使其更坚韧、更耐磨、可加工。中国的凹土储量世界最高,江苏已探明储量占全国的74%、全世界的48%。王爱勤说:目前,凹土产业的研发还处于初级阶段,通过科学研究,希望这种黄金资源能够产生黄金效益。《中国科学报》
(2013-11-28 第4版 综合)

盱眙恒信粘土科技有限公司

作为国内最早开展凹凸棒石研究的单位之一,中科院兰州化物所已先后出版了《凹凸棒石黏土应用研究》和《凹凸棒石棒晶束解离及其纳米功能复合材料》2本专著。在凹凸棒石微观结构与构效关系基础上,针对玉米赤霉烯酮的分子结构和极性,采用凹凸棒石棒晶束“拆”与“装”的原理,实现了凹凸棒石对玉米赤霉烯酮的定向吸附,且不会对饲料中的矿物质、维生素等营养成分进行吸附。

应用单位名称

8月13日,“第十一届中国凹土高层论坛”召开之际,在江苏盱眙召开了一场关于玉米赤霉烯酮吸附剂新产品发布会,中国科学院兰州化学物理研究所与合作企业江苏神力特生物科技股份有限公司发布了最新研制生产的凹凸棒石玉米赤霉烯酮吸附剂,标志着该产品已进入产业化推广阶段。

凹凸棒石纳米无机凝胶

他期望,湿法自控工艺能推动更多凹土企业从传统工艺向智能化生产迈进,并带来显著的经济效益、社会效益和环境效益。

黄锴/15351770000

王爱勤告诉《中国科学报》记者:“黏土矿物要实现‘华丽转身’,产品性能稳定,必须向湿法、自控的新工艺转型升级。”

凹凸棒石油品脱色剂

在间歇式湿法工艺取得突破后,王爱勤的研究团队又与江苏惠达矿业有限公司开展了凹凸棒石棕榈油脱色剂的开发工作。这是将机械处理、提纯处理与表面无机或有机改性等工艺相结合,成功实现了连续制浆改性,大大缩短了工艺流程。

累计新增产值7840万元

王爱勤表示,团队接下来将与神力特公司继续完善技术工作,在开发呕吐毒素和广谱霉菌毒素吸附剂的同时,将引入机器人进行包装工作,进一步提升工艺的智能化水平。

围绕凹凸棒石棒晶束解离关键技术和产业化所开展的工作,中国科学报分别于2012年10月27号以“从替代迈向不可替代”和2013年11月28号以破解“土黄金”的“密码”—-中科院兰州化物所研发新技术解离凹土棒晶束为题报道了相关工作。

“土黄金”的华丽转身 中科院兰州化物所助力江苏凹土产品实现自控生产

电子邮件:wsg@cczu.edu.cn

为此,他们从矿物的含水量、对辊次数、制浆浓度到除砂目数、干燥方法和水的循环使用,开展了系统的研发工作。在与江苏玖川纳米材料科技有限公司合作中试的过程中,由于试验环节多、参数量大,合作企业甚至对这样的工艺产生怀疑。

周铭/13805290680

王爱勤告诉记者,凹凸棒石棒晶长约1~5 μm,直径约20~70
nm,是一种天然的一维纳米材料,但较强的氢键和静电作用力,使天然凹凸棒石棒晶大多以鸟巢状或柴垛状聚集,成为制约凹凸棒石黏土产业发展的关键瓶颈因素。

凹凸棒石油品脱色剂

湿法生产是高值利用的前提

2010-2015

经过历时3年的反复试验,2011年终于实现了凹凸棒石湿法的间歇式生产,凹凸棒石产品的售价达到了每吨5万元以上,合作企业露出了笑脸。

/13606157815

提及湿法工艺,人们总将其与废水污染联系起来。王爱勤告诉记者,与二维黏土矿物不同,凹凸棒石是一维棒状形貌,改性过程是在棒晶表面上改变表面电荷,再加上均质过程的促进效应,所需要的改性剂量较小,同时工艺过程中的水可循环使用,不会对环境造成污染。

于龙庆/15851706889

我国凹凸棒石资源储量丰富,从20世纪80年代以来,产业的发展经历了起步、仿制和自主创新等阶段。

盱眙县中材凹凸棒石粘土有限公司

“我们开发的对辊处理—制浆提纯—高压均质—乙醇交换一体化工艺,在保持凹凸棒石固有长径比前提下,成功实现了棒晶束的高效解离,棒晶达到纳米级分散,是真正意义上的纳米材料,这是高值化利用的前提。”王爱勤说。

2、建立了利用高压均质诱导功能化调控凹凸棒石表面性能的新方法,揭示了高压均质协同增强凹凸棒石与功能改性剂的耦合机制,实现了功能导向的凹凸棒石表面性质调控,形成了凹凸棒石纳米无机凝胶产品和凹凸棒石食用油高效脱色剂,成功应用于涂料和食品等行业。

据王爱勤介绍,干法工艺生产的产品性能完全取决于凹凸棒石的品位,而随着优质矿产资源的不断减少,湿法工艺成为必然选择。这是由于天然形成的凹凸棒石往往会同时共生其它矿物,尤其是含有石英砂,不除去石英砂和碳酸盐等伴生矿物,就不能实现矿物材料到功能材料的应用。

累计新增产值7497万元

在完成实验室工艺定型后,合作双方就如何建自控生产线展开了讨论。由于自控系统资金投入较大,企业期望设备选型适中即好,而王爱勤团队坚持高投入、高水准、全自动。经过多轮讨论最终采用了自控方案。2015年底在公司建成了全自控1万吨/年生产线,产品经用户应用后其效果达到国外同类高端产品性能。

2011-2015

在“第十一届中国凹土高层论坛”开幕式上,中科院兰化所与神力特公司又签署长期合作协议。“我们只是黏土矿物智能化工艺的探索者和实践者。现在,双方强强联合,将进一步研发系列新产品,提升工艺自动化水平,该研究内容已被列为研究所‘一三五’规划中的三个重点突破方向之一。”
中科院兰州化物所所长夏春谷研究员告诉记者。

累计新增产值9268万元

采用湿法工艺,王爱勤研究员带领的团队先后与企业合作实现了凹凸棒石纳米无机凝胶的间歇式生产和凹凸棒石棕榈油脱色剂的半自动化生产,而他们一直做着产品全自动化生产的“梦”。

科技处

一直以来,应对各种霉菌毒素的危害是畜牧业工作者的一大难题。凹凸棒石玉米赤霉烯酮吸附剂项目上接凹凸棒石资源高值化利用,后促畜禽养殖产业健康发展,同时还能实现我国高端霉菌毒素吸附剂自主产业化生产,突破国外产品在此领域的技术和市场垄断,对食品安全和人类健康都能发挥积极的作用。

2010-2015

作为我国凹凸棒石产业发展的代表,江苏盱眙目前有凹凸棒石黏土加工企业55家,生产产品50余种,已经形成了产业集群,但90%以上的企业采用干法或半干法生产,产品的附加值低,产品售价大多在1000~3000元/吨。

高琦

近日,中国建筑材料联合会印发了《建筑材料工业“十三五”科技发展规划》,在分析存在的问题时,规划指出,“我国黏土矿物材料产品附加值低,产品性能还不能满足实际需求,信息化处于发展阶段,智能化还在探索当中”。“工艺自主创新不足且缺乏连贯性和系统性,难以引发或推动产业链的整体创新。”

夏青/13952341999

“黏土矿物大多是采用传统的挤压、研磨、煅烧和筛分等加工工艺生产的产品,产品的附加值很低,而许多黏土矿物是天然的一维或二维纳米材料,传统的处理方法释放了黏土矿物的基本特性,但仍没有实现纳米特性的有效应用。”王爱勤研究员现任中科院兰州化物所环境材料发展中心主任,多年来一直从事凹凸棒石高值研究。

2010-2015

吸附法是目前去除毒素最有效的方法之一,但已有的产品主要是采用蒙脱石、高岭土、伊利石和沸石等研制的,对玉米赤霉烯酮的吸附率都较低,而凹凸棒石在霉菌毒素吸附方面仍是空白。

累计新增产值7399万元

玉米赤霉烯酮广泛存在于霉变的玉米、高粱、小麦、燕麦、大麦等谷类作物中,动物食用后主要表现为慢性毒性、致癌作用、生殖毒性、发育毒性及遗传毒性,可引起动物流产、死胎、返情等生殖异常现象,是霉菌毒素中污染较严重且对人和动物危害较大的一种毒素。

五、主要应用情况

3年前,江苏神力特生物科技股份有限公司找到王爱勤研究员,想合作开发凹凸棒石玉米赤霉烯酮吸附剂,王爱勤提出的惟一要求是,在产品开发成功后要建一条全自动的生产线。“只要产品性能达到国外同类产品水平,这个没问题。”神力特公司董事长黄正君表示。于是,双方正式“牵手”。

2、相关项目验收和鉴定意见

“吸毒剂”:玉米赤霉烯酮吸附剂

应用情况

2012-2015

傅家绪/13770445512

累计新增产值10791万元

1、中国科学报报道本项目相关工作

凹凸棒石油品脱色剂

累计新增产值7119万元

2007年化学工业出版社出版了《凹凸棒石黏土应用研究》;2014年科学出版社出版了《凹凸棒石棒晶束解离及其纳米功能复合材料》,得到了中国科学院科学出版基金的资助。中国工程院薛群基院士先后为2本专著写序,认为“非金属矿在我国储量丰富,但它属于不可再生资源,提高资源利用率和开发高附加值的产品离不开技术的持续创新”;“从凹凸棒石棒晶束解离关键技术入手,解决制约凹凸棒石黏土应用的瓶颈,对拓展凹凸棒石黏土的应用范围和链接七大新兴战略产业具有重要的意义”;“目前凹凸捧石黏土产业正处在由传统产业向新兴产业的过渡期,相信该书的出版将有助于进一步推动我国凹凸棒石的深入研究和拓展应用”。

③凹凸棒石棕榈油脱色剂项目(BY2012150)的验收意见是:技术路线合理,研究内容系统。采用“棒晶解离—酸复配改性—固体酸负载”一体化工艺具有创新性,制备的FS新型棕榈油脱胶-脱色吸附剂产品经第三方检测红值为0.7,小于目前市售产品的红值2。

相关文章