“雙碳”大考：下好科技“先手棋”

“有序推進(jìn)碳達(dá)峰碳中和工作。落實(shí)碳達(dá)峰行動(dòng)方案。”2022年政府工作報(bào)告再次吹響向“雙碳”目標(biāo)邁進(jìn)的號(hào)角。

 

這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)科技支撐。作為國(guó)家戰(zhàn)略科技力量，中國(guó)科學(xué)院近日公布科技支撐“雙碳”戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃，眾多關(guān)鍵核心技術(shù)出現(xiàn)在其中。

 

作為國(guó)家戰(zhàn)略科技力量的主力軍，中科院有哪些現(xiàn)成的“雙碳”技術(shù)寶藏可挖呢？?jī)蓵?huì)期間，《中國(guó)科學(xué)報(bào)》分別連線了中科院位于西北、中部和東部地區(qū)研究所的三位院士，了解他們圍繞“碳”字正在開(kāi)展的工作。

 

周衛(wèi)健·研究所坐標(biāo)西安

 

固廢“吃干榨凈” 支撐循環(huán)經(jīng)濟(jì)

 

“實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和的進(jìn)程中，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)十分重要。其中，固體廢物污染治理是一個(gè)重點(diǎn)方向。”兩會(huì)期間，全國(guó)人大代表、中科院地球環(huán)境研究所研究員周衛(wèi)健院士對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》說(shuō)。

 

尾礦治理是我國(guó)礦山資源開(kāi)發(fā)中一塊“難啃的骨頭”。周衛(wèi)健介紹，由于我國(guó)大多數(shù)礦山礦石品位低、組分復(fù)雜，加之生產(chǎn)技術(shù)落后，開(kāi)采出的礦石80%以上都變成了尾礦，年均碳排放量14億噸，固體廢物累積堆存量高達(dá)200多億噸。同時(shí)，尾礦資源綜合回收率只有約30%，綜合利用率不到20%，且空?qǐng)龀涮钫祭每偭康?3%，其資源化高附加值利用量微乎其微。

 

事實(shí)上，礦業(yè)固廢中氧、硅、鋁、鐵、鈣、鈉、鉀等主量元素占比高達(dá)90%以上。“解決了主量元素分離提取利用問(wèn)題，就相當(dāng)于90%以上的固廢實(shí)現(xiàn)了無(wú)害化、減量化和資源化。”周衛(wèi)健說(shuō)。

 

基于長(zhǎng)期的基礎(chǔ)研究，她和團(tuán)隊(duì)將地球化學(xué)和冶金學(xué)交叉融合，提出可實(shí)現(xiàn)“取沙留金”的新理念并開(kāi)發(fā)出一種催化劑，可分離尾礦的主量元素和微量元素，有助實(shí)現(xiàn)礦山固廢的全量資源化。

 

去年，研究團(tuán)隊(duì)把相關(guān)技術(shù)帶到企業(yè)，用爐渣（水淬渣）進(jìn)行了一個(gè)多月的“拉練”。他們發(fā)現(xiàn)，在工業(yè)試驗(yàn)中使用新型催化劑，在僅需250℃（相當(dāng)于礦石冶煉1/5的溫度）的情況下，就能把固廢全部分離提取為有價(jià)值的產(chǎn)品，資源再利用率達(dá)到90%以上。這種方式不僅可以把尾礦“吃干榨凈”，還可以覆蓋資源回收轉(zhuǎn)化成本，每噸凈賺450元。

 

尾礦所得的主要產(chǎn)品如硅膠、水玻璃、保水劑、凈水劑等，不僅在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍工和日常生活領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，更是能源、煤化工、石油化工、有色冶金等各類工業(yè)基地污水治理、凈化的主要原料，也是大范圍實(shí)現(xiàn)水土保持、固沙固土和生態(tài)恢復(fù)治理的有用產(chǎn)品。

 

下一步，周衛(wèi)健希望把相關(guān)技術(shù)應(yīng)用到陜西白河縣硫鐵礦廢棄礦渣綜合利用中。該礦區(qū)屬于歷史遺留廢棄礦山，污染礦區(qū)點(diǎn)多面廣，對(duì)漢江水源造成污染，引起國(guó)家相關(guān)部門的重視。

 

同時(shí)，周衛(wèi)健表示，當(dāng)前礦山廢棄物全量資源化的治理仍然存在一些難題。由于相關(guān)治理技術(shù)開(kāi)發(fā)難度大、費(fèi)用高，前期只有投入沒(méi)有產(chǎn)出，導(dǎo)致企業(yè)參與的積極性不高，許多關(guān)停的礦區(qū)更是無(wú)力處理固廢尾礦。

 

對(duì)此，她建議，加大政策支持與資金投入力度，促進(jìn)新技術(shù)開(kāi)發(fā)；設(shè)立固廢全量資源化技術(shù)試點(diǎn)基地，擴(kuò)大推廣速度；引入社會(huì)資本，建立多元化投入渠道；采取“誰(shuí)投資誰(shuí)受益”的原則，通過(guò)稅收優(yōu)惠等政策措施，鼓勵(lì)民營(yíng)資本進(jìn)入相關(guān)試點(diǎn)領(lǐng)域。

 

李燦·研究所坐標(biāo)大連

 

開(kāi)發(fā)“液態(tài)陽(yáng)光” 助力能源自立

 

“液態(tài)陽(yáng)光儲(chǔ)能方法應(yīng)用起來(lái)成本是不是偏高？”

 

這可能是全國(guó)政協(xié)委員、中科院大連化學(xué)物理研究所研究員李燦院士聽(tīng)到最多的問(wèn)題，每一次他都會(huì)耐心地解釋。

 

“現(xiàn)在液態(tài)陽(yáng)光的成本已經(jīng)處在與其他能源日趨接近的交叉點(diǎn)上了。隨著相關(guān)技術(shù)的日趨成熟和可再生能源占比的提高，它的價(jià)格還會(huì)一路往下走，最終一定會(huì)贏。”李燦告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，液態(tài)陽(yáng)光最大的一個(gè)特點(diǎn)就是“道法自然”，不受制于外界資源因素。

 

他解釋說(shuō)，液態(tài)陽(yáng)光本質(zhì)上是用甲醇的形式實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能的儲(chǔ)存、運(yùn)輸和利用。實(shí)現(xiàn)液態(tài)陽(yáng)光分為兩個(gè)步驟：由太陽(yáng)能等清潔能源分解水制作“綠氫”；再由綠氫和二氧化碳反應(yīng)，生成甲醇或其他燃料和化學(xué)品。這一循環(huán)在實(shí)現(xiàn)減碳的同時(shí)，還具有消納剩余新能源的作用。

 

李燦和團(tuán)隊(duì)發(fā)展了高活性的固溶體催化劑，可以高效生成甲醇。目前已在甘肅蘭州建成了全球首套千噸級(jí)液態(tài)陽(yáng)光合成的規(guī)?；痉豆こ蹋陂_(kāi)展十萬(wàn)噸級(jí)的液態(tài)陽(yáng)光工業(yè)化。

 

在他看來(lái)，液態(tài)陽(yáng)光可能孕育了一場(chǎng)重大的能源革命，它能替代化石能源，最大程度減少碳排放，幫助人類實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。他給記者算了一筆賬：“一噸甲醇相當(dāng)于消納6000多度電，一個(gè)規(guī)模為100萬(wàn)噸甲醇級(jí)別的中型企業(yè)就能消納60億度電，儲(chǔ)能潛力巨大。”

 

同時(shí)，與業(yè)界看重的氫能相比，液態(tài)陽(yáng)光具有運(yùn)輸安全、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，而且其應(yīng)用面非常廣，當(dāng)前發(fā)展如火如荼的新能源車就是應(yīng)用目標(biāo)之一。“綠色甲醇就像汽油一樣可以用于汽車的內(nèi)燃機(jī)燃燒，但它排放的是水和氫，非常環(huán)保。”李燦表示，相關(guān)技術(shù)已經(jīng)十分成熟。

 

在工信部發(fā)布的《“十四五”工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃》中，甲醇汽車已被納入綠色產(chǎn)品，該規(guī)劃還提出要促進(jìn)甲醇汽車等替代燃料汽車推廣。“從戰(zhàn)略資源角度考慮，假如所有的汽油都用甲醇來(lái)代替，我國(guó)石油進(jìn)口的問(wèn)題就能大大減少，國(guó)家能源安全就沒(méi)有那么大的風(fēng)險(xiǎn)。”李燦說(shuō)，而如果采用甲醇作為燃料，新能源汽車發(fā)展也將無(wú)懼鋰資源的制約。

 

目前工業(yè)領(lǐng)域甲醇產(chǎn)能每年約9000萬(wàn)噸，如果用液態(tài)陽(yáng)光甲醇來(lái)代替，就可以減少二氧化碳排放1.2億噸以上。李燦表示，十萬(wàn)、數(shù)十萬(wàn)噸綠色甲醇制造已經(jīng)起步。“樂(lè)觀預(yù)測(cè)，2030年其減碳貢獻(xiàn)份額將進(jìn)一步增大。”他說(shuō)。

 

韓布興·研究所坐標(biāo)北京

 

廣泛布局多點(diǎn)開(kāi)花 碳資源華麗變身

 

二氧化碳、生物質(zhì)、廢舊塑料轉(zhuǎn)化、廚余垃圾資源化利用……近些年，相關(guān)研究是中科院化學(xué)研究所研究員韓布興院士及其團(tuán)隊(duì)的研究重心。

 

按他的話說(shuō)，這些方向看似五花八門，但同屬綠色化學(xué)范疇，都與一個(gè)“碳”字相關(guān)。“化學(xué)是一門創(chuàng)造物質(zhì)的科學(xué)。這些研究的本質(zhì)都是如何將含碳物質(zhì)高效轉(zhuǎn)化利用的問(wèn)題。”他對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》說(shuō)。

 

“無(wú)中生有”，將全球主要溫室氣體二氧化碳固定在一種可利用的產(chǎn)品中是當(dāng)前國(guó)際研究熱點(diǎn)。用二氧化碳制備一氧化碳、甲醇、乙醇、烯烴、烷烴、羧酸……韓布興的實(shí)驗(yàn)室正在拓展二氧化碳“變身”各種重要化學(xué)品和燃料的新路線。

 

以二氧化碳加氫制乙醇和液態(tài)烴為例，韓布興表示，這種液體燃料與氫能相比，無(wú)論運(yùn)輸、儲(chǔ)藏還是使用都更具安全性。針對(duì)二氧化碳轉(zhuǎn)化利用過(guò)程中涉及到的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，他和團(tuán)隊(duì)還把物理化學(xué)和綠色化學(xué)研究相結(jié)合，設(shè)計(jì)了多種高效催化材料和綠色溶劑，提高轉(zhuǎn)化速率。

 

“現(xiàn)在化石資源的利用導(dǎo)致全球每年排放約350億噸二氧化碳，而全球二氧化碳資源化利用剛超過(guò)1億噸。下一步往前推，難度挺大。”韓布興表示，只有把相關(guān)研究產(chǎn)業(yè)化的面拓寬，未來(lái)二氧化碳利用量才會(huì)更大。

 

這正是他在不同方向廣泛布局的一個(gè)原因。在碳中和的一個(gè)重要方向——生物質(zhì)轉(zhuǎn)化利用方面，該團(tuán)隊(duì)也“多面開(kāi)花”，如生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成苯（基本化工原料）、苯酚（樹(shù)脂、殺菌劑、防腐劑以及藥物的重要原料）、環(huán)己酮（可溶解硝酸纖維素、涂料、油漆等）、生物質(zhì)炭等。

 

韓布興團(tuán)隊(duì)正在與河北唐山一家公司合作，利用秸稈、林業(yè)廢棄物等制作生物質(zhì)炭。據(jù)介紹，生物質(zhì)熱解后的主要產(chǎn)物是固體的生物質(zhì)炭、有機(jī)物液體和可燃?xì)怏w，整個(gè)過(guò)程沒(méi)有污染。加工而成的生物質(zhì)炭以一定比例與煤炭混合使用，可以使煤炭充分燃燒，減少污染。

 

“現(xiàn)在（生物質(zhì)炭）主要用于民用和中小型鍋爐，未來(lái)將力爭(zhēng)推廣到鋼鐵和火電等行業(yè)，這樣可大幅提高生物質(zhì)用量，降低污染。”韓布興說(shuō)。

 

不僅如此，針對(duì)國(guó)內(nèi)大量廢舊塑料帶來(lái)的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)問(wèn)題，該團(tuán)隊(duì)與企業(yè)合作讓廢舊塑料轉(zhuǎn)變?yōu)橛?。針?duì)棘手的餐廚垃圾問(wèn)題，該團(tuán)隊(duì)正在和企業(yè)合作將其變成有機(jī)肥等。此外，他們還開(kāi)發(fā)一系列綠色溶劑，替代現(xiàn)有碳資源轉(zhuǎn)化中使用的揮發(fā)性溶劑，提高反應(yīng)效率和清潔度。

 

“作為‘國(guó)家隊(duì)’‘國(guó)家人’，必須心系‘國(guó)家事’、肩扛‘國(guó)家責(zé)’。最近中科院提出的科技支撐‘雙碳’戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃非常好。”韓布興說(shuō)，“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要能源革命、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、人類生產(chǎn)生活方式的變革?？茖W(xué)技術(shù)的重大進(jìn)步是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要保障，需要“實(shí)實(shí)在在的努力”。