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北大博导魏雄辉:开创世界大气污染治理新纪元

2016-06-30 09:46:18 丨 文章来源: 中国网

在我们生活的这颗星球上,因工业排放使得大气中灰尘(含PM100PM10PM2.5PM1.5等各种微小粒子)、硫氧化物、氮氧化物、氨、二噁英、多环芳烃和VOCs等的聚集,浓度不断升高,造成严重的雾霾、酸雨和光化学烟雾等环境污染现象,直接或间接对人类健康造成严重危害,如呼吸道疾病、癌症和遗传疾病等迅速增长,同时对生态环境也造成严重的破坏和物种消失等现象。严重的大气污染一直是摆在世人面前的一道世界性难题。

2016413日至17日,在瑞士日内瓦举行的第44届日内瓦国际发明展览会上,有45个国家和地区790个参展单位的1000余项发明参加了展览和交流。北京大学化学与分子工程学院副教授、博士生导师魏雄辉博士的发明成果“DDS烟道气除尘脱硫脱硝技术”获得本届日内瓦国际发明展评审团特别金奖。

日内瓦国际发明展于1973年由瑞士联邦政府、日内瓦州以及市政府、世界知识产权组织共同创办,是世界上历史最长、规模最大的发明展之一。获得如此殊荣,对于魏雄辉来说,是对其三十年矢志不渝、科研创新的一种肯定和安慰。

艰难困苦,光芒初现

今天,当我们回顾魏雄辉的人生轨迹,会不由自主地想起孟子的那句名言:故天将降大任于斯人也,必先苦其心志,劳其筋骨,饿其体肤,空乏其身,行拂乱其所为,所以动性忍性,曾益其所不能。

少年时代的魏雄辉,学习极为刻苦,但求学之路却艰难曲折,几度失学。因为家庭成分不好,多次高考政审未能过关,与大学失之交臂。随着改革开放的深入,对成分的要求没有以前严格,有幸被录取到江西省化学工业学校学习,终于像跳龙门一样,跳出了心酸的农村,为未来带来了曙光和希望。1986年毕业后分配到江西永丰化肥厂从事技术工作,成为了一名名副其实的工程技术员,工作勤勤恳恳,积极向上,对未来充满着憧憬。可是,当参加完1988年研究生入学考试后没几天,其母亲脑溢血,抢救无效,病逝,享年只有49岁,由于魏雄辉是家中的长子,下面还有5个弟弟和妹妹,家中一度跌入绝望之中,除精神受到极度打击之外,经济也陷入了极端的困难状态,这时单位工会发动职工捐了1900多元钱,解决了当时的燃眉之急,可经济依然是非常困难,为了改善家里的经济状况,当年只能放弃研究生的学习。考研究生的愿望始终没有泯灭,待家里状况稍微好转了一些以后,1990年又去参加研究生入学考试,但由于当时的工作单位不愿魏雄辉离职而设定了一些阻力,使得延误了面试时间,但几经波折,并得到多位恩师的全力帮助下,最终被内蒙古工业大学(当时叫内蒙古工学院)录取,进入化工系攻读工学硕士学位,其人生又获得了一次提升。

他非常珍惜这样的学习机会,对科学知识如饥似渴,刻苦钻研,并理论联系实际,不久就发明了“铁减法脱硫技术”,并参加了在北京举行的“首届中国大学生实用科技发明大奖赛”。随后又发明了“半水煤气脱硫脱氧新方法”,并获“‘挑战杯’第三届中国大学生学术科技作品赛”三等奖。在这期间,其发明的成果先后被一些企业看中,并尝试用这些技术进行工业原料气脱除硫化氢的试验,并获得成功。这是魏雄辉研究生涯的第一座里程碑。

但这并不是魏雄辉第一次与环保结缘。

魏雄辉的家乡——江西永丰县,是江西一个有名的工业强县。当他还在永丰中学读高中的时候,造纸厂、化肥厂、水泥厂、皮革厂、麻纺厂、制药厂等各种工厂环绕县城,空气中经常充斥着令人厌恶的火烧味、腐臭味和有机溶剂味等难闻的味道。从江西省化学工业学校毕业后,他被分到江西永丰化肥厂工作,在这恶劣的工作环境中患上了慢性耳鼻喉炎症,至今未能痊愈。这种环境和处境深刻地触动和刺痛了他!他开始思考:我们中国的经济发展何时才能不以牺牲环境为代价?这些污染物还能不能再次把它回收利用起来?自此以后,他就开始了对脱硫等环境污染控制技术的探索、思考和研究。

在家乡工作时,每年春耕,许许多多白色的废旧塑料薄膜随风满天飞扬。这是农民育种时用的塑料薄膜,叫农膜,这种农膜是一次性的,用完就扔了,污染了环境。魏雄辉就琢磨,能不能把这些废弃的农膜收集起来,作为原料生产塑料制品,既能带来经济效益,又能解决环保问题。所以他设法开办了塑料加工小作坊,收集废旧塑料薄膜,清洗干净,熔融,加工成塑料粒子,对外出售。后来,人们效仿,这样的作坊越来越多,没有效益,于是他就放弃小作坊,专心致志地准备研究生考试。

当时,年轻的魏雄辉绝不会想到,这种“科学研究+兴办企业+获得效益+投入研究”的产学研一体化循环模式,会伴随他一生,并最终开创世界大气污染治理的全新理念和核心技术。

漫长研究,渐入佳境

1994年,魏雄辉考入北京大学环境科学中心攻读环境化学专业博士学位。在此期间,他的基础理论知识获得了长足的进步,为他更加深入地开展脱硫技术研究奠定了更为坚实的理论基础。在长期研究的基础上,魏雄辉的一系列研究成果先后获得了北京大学“五四”青年科学一等奖、二等奖,“挑战杯”第五届中国大学生学术科技作品赛三等奖等。

1995年,魏雄辉的相关研究取得了突破性进展,发明的工业原料气脱除硫化氢的“DDS脱硫催化剂和DDS脱硫技术”被广泛地应用到工业生产中去,直到现在,国内许多合成氨企业的工业原料气脱硫都是采用这项技术。这是魏雄辉研究生涯的第二座里程碑。

1997年,魏雄辉博士毕业之后,留在了北大任教。从技术物理系到化学与分子工程学院,他从未间断过对烟道气除尘脱硫脱硝理论和技术的研究工作,甚至发展到狂热的地步。在年年没有申请到国家任何科研经费资助的情况下,他将自己的所有积蓄全部拿出来,不够时,甚至举债凑出资金,用于科研。

随着经济社会的不断发展,政府、企业、公众对于环境保护与能源利用越来越重视,为魏雄辉的研究带来了全新契机。为了加快研究进程,他在北京、江西分别组建了研究团队,成立实验室,同时利用自己的发明成果创建多家高科技公司,开发各种环保新产品、新技术和新设备,不断获取资金,并投入新的环保科研项目。

经过十多年的理论探索和艰苦研究,到2005年,魏雄辉及其团队初步已经设计和合成出了全新的除尘剂、脱硫剂和脱硝剂化合物质及其配方。同时,开始开展对烟道气除尘脱硫脱硝技术的小试试验,经过无数次的失败后,总结经验,继续试验,最终从小试试验中,逐步推导和建立起了初步的工艺流程,为中试试验打下了坚实的基础。在中试试验中,他们先后设计、制造了20多套大大小小的中试试验装置,并逐一进行改进、改造和完善,同时还对除尘剂、脱硫和脱硝剂进行了无数次改进,终于在2013年底,获得了“DDS烟道气除尘脱硫脱硝技术”中试试验的圆满成功。中试试验的成功,预示着该技术具有显著的应用价值,可以进行进一步的工业化试验。从中试试验结果看,该技术可以从根源上杜绝灰尘、二噁英、多环芳烃、其它有机物、重金属、含硫氧化物和氮氧化物等对大气的污染,减轻甚至消除雾霾和酸雨现象。此外,将从烟道气中脱除出来的废物转化成纯的、附加值高的二氧化硫和硝酸盐或浓硝酸副产品,实现真正变废为宝。

201410月,“DDS烟道气脱硫脱硝技术”荣获第十六届中国国际工业博览会高校展区优秀展品奖二等奖。

中试试验的成功是魏雄辉研究生涯的第三座里程碑。

中试试验成功后,紧接着进行论证、设计、制造工业化试验装置,并安装在包头钢铁集团四号烧结机上。经调试、运行,终于在2015年,该技术实际工业化运行获得成功,这标志着该技术可以进入大规模工业化推广和应用阶段。这是魏雄辉研究生涯的又一个新的转折点和里程碑。

循环技术,国际领先

201511月,由包头市政府、包头钢铁集团公司等部门共同资助的首套“DDS烟道气除尘脱硫脱硝技术”工业化示范工程的建造计划正式启动,预计在今年10月分可在包钢集团热电厂正式投入使用。

魏雄辉博士发明的DDS烟道气除尘脱硫脱硝技术,以全新的理论,全新的技术和全新的工艺,完全颠覆了传统的烟道气除尘、脱硫和脱硝技术,站到了世界的最前沿,已获得多项国家发明专利授权,并申请了国际专利(PCT),获得美国、日本、加拿大、巴西、印度、欧亚等国家和地区的专利权。DDS烟道气除尘脱硫脱硝技术可广泛用于火电、钢铁、玻璃、冶炼、陶瓷、水泥、化工、建材和垃圾焚烧等行业的烟道气等废气的除尘、脱硫和脱硝净化治理。

相对于传统技术,DDS烟道气除尘脱硫脱硝技术既可以集除尘、脱硫、脱硝为一体,又可以单独使用,并采取全溶剂、全封闭、全循环式运行,不需要用石灰石或氨作为脱硫剂,也不用氨或者尿素作为脱硝剂就可将烟道气中的有害物质“捕捉”得干干净净,避免了传统技术导致的“挖掉一座山,填起两座山”、氨逃逸、土壤和地下水污染等二次污染现象,具有运行成本低、除尘脱硫脱硝效率高等特点。

2015年,在包钢进行的工业化试验表明,经该技术处理以后的烟道气中,灰尘含量可降至5mg/Nm3以下,多数情况下是检测不出;二氧化硫含量可降至30mg/Nm3以下,多数情况下是检测不出;氮氧化物含量可降至35mg/Nm3以下,多数情况下是检测不出,远低于国家现行标准。同时,HClHF、二噁英、多环芳烃等有机物(含部分VOCs)和重金属等也可以有效脱除,真正实现超低排放或近零排放,做到了有害物质一网打尽,为从工业污染源头减轻甚至消除雾霾现象和酸雨现象提供了可能,而运行费用仅为其它技术综合运行费用的三分之二以内。

更为难得的是,该技术可以将从烟道气中脱除出来的二氧化硫和氮氧化物转化成纯液体二氧化硫产品和硝酸盐或浓硝酸等化工产品,实现真正变废为宝。企业可以解除以往对高硫原煤、重油、煤焦油和石油焦等劣质燃料的限制,原来不能有效利用的劣质燃料现在反而可以为企业生产更多的再生副产品,有助于企业改变能源结构,进一步降低运营成本。测算表明,引进该技术的企业,通过回收、销售再生产品,降低燃料成本和降低运行费用等措施,35年内就可收回环保投入。长期以来国家大力提倡、企业普遍希望的低成本、零成本环保投入甚至环保赚钱等绿色循环低碳发展模式因此成为可能,将大大提高企业废气治理的积极性和主动性,为中国环保事业提供强大助力。

正视失败,学会坚持

科学研究、创造与创新,从来不会一帆风顺。

研究烟道气除尘脱硫脱硝技术前后近三十年,期间魏雄辉经常遇到各种科研难题,经历了上万次失败,最严重的一次,几乎让他的研究进程全部断送。

2005年之前,困扰魏雄辉的一个重大问题,便是他需要寻找一种或一类化学物质,能够吸收二氧化硫和氮氧化物,并且吸收之后还能释放出来。已有的材料吸收二氧化硫和氮氧化物之后就产生了新的化学物质,要想将其还原,工艺极为复杂,几乎无法实现。最终的结果是魏雄辉的这方面的试验研究就此中断。

遇到困境的魏雄辉,也曾对自己多年的研究有过怀疑和反思:类似于烟道气除尘脱硫脱硝这样的先进核心技术,国际上有众多的科研机构都在研究,一直难以实现突破,难道我就有天大的能耐,一定能研究出新成果?那段时间里,对于魏雄辉来说,多年的研究中断,上百人的科研团队要维持,数亿研究资金的巨大投入,给他带来了极大的压力。

然而,科研很多时候也和人的生命轨迹一样,总会在不经意的时候、地方产生一些碰撞,并改写自身运行的轨迹。就在魏雄辉陷入困境之时,他的另一个研究方向——致癌和抗癌理论的研究及天然抗癌药物的筛选,却给了他全新的启发和灵感。

当时,他在研究白血病,随之忽然联想到:我们的血液在肺里面吸附氧气,输送到人体的各个组织进行释放,同时吸收各个组织里的二氧化碳,最终从肺里排放出来。这里面,产生作用的是血红蛋白,于是他开始模仿血红蛋白的结构合成所需的化学物质,试验证实效果挺好,问题随之得到解决。现在,魏雄辉发明的部分脱硫催化剂里面也含有铁离子和大分子有机物,就是基于对血红蛋白结构的模仿。随着研究的深入和研究经验的积累,为魏雄辉科研团队设计、合成高分子或大分子的高选择性的、无毒的、稳定的除尘、脱硫和脱硝剂,打开了一扇可行的方便之门。为废气或废水的高效、无害、经济的净化指明了方向,带来了光明和希望。

2005年,魏雄辉又开始组织进行脱硫剂效果检测。他们设计了很多小型实验室试验装置用来模仿烟气,开始进行小型的脱硫试验。试验效果很不错,但是他发现一个问题。试验过程中,烟道气中二氧化硫、氮氧化物在系统溶液中逐渐积累,并氧化变成了混酸,腐蚀性极强,试验准备的材料很快便被腐蚀一空。而烟道气排放温度一般都在一百二十度以上,而脱硫剂的适宜温度在五十度以下时效果较好,这就需要寻找一种既耐高温,又耐烟道气冷凝水的腐蚀的材料,于是他又转入材料研究,这一研究就是五年。一直到2010年,经历千万次试验和失败之后,魏雄辉终于发现了符合要求的材料,试验才得以继续进行。

回顾以往,魏雄辉认为任何创造和创新都依赖于基础理论研究的突破。要创造和创新,必定要夯实基础研究。但基础研究一定要接地气,接地气就是研究者一定要亲身参与到实际生产实践和试验中来,也就是要鼓励科研人员以各种方式直接或间接地参与到社会经济建设的主战场来。在经济建设和社会活动的实践中可以获得灵感和探知未知世界的冲动。

从事科学研究,要有好奇、灵感、执着和持之以恒的爱好,并善于归纳和总结,才可能会有新的发现。有好奇,科学研究才是一件非常快乐的事情,不会感觉到枯燥无味,所以魏雄辉天天在周而复始的各种科研试验和思考中时非常快乐,大多数时间是快乐得忘记了时间。灵感是来自于实际生产实践之中,如果魏雄辉没有创办自己的企业,没有亲自参与实际生产实践中,就不会有这么多灵感,更不会有这么多资金,用来揭示其梦寐以求的未知问题。魏雄辉说在他自己爱好的科学研究领域的探索过程就好像是座过山车:失望、气馁,一无所获时,就像跌入低谷,会怀疑自己的决策是否正确?甚至会打退堂鼓而放弃,这时就要静下来回顾、思考、总结和分析,当感觉找到了出现问题的可能点时,又会热血沸腾,规划着下一个试验,当试验获得成功时就会有一种如释负重的激动,就是这样反复的失望……沸腾……激动之中。

总之,科研工作有两大特性:首先是要学会面对失败,不管是在世界上哪个科技发达的国家里,科技尤其是基础研究的突破、进步和创新,必然是由一代甚至几代人的持续付出,面对无数次的失败,才能取得突破,这是科研的规律,不管是在科研机构还是企业里,要学会接受科研的失败,并正确看待和面对;其次是要学会坚持,行百里者半九十,无论遇到何种逆境,科研人员要保持初心,矢志不渝,坚持将科研工作搞下去,才能守得云开见月明。同时,世界科学技术发展到今天,一般的自然规律和科学技术都已经被揭示和发现,剩余的多数是高深度、跨专业和高投入的科学问题,需要借助高端的或全新的试验仪器、实验手段和不同领域的研究人员的共同参与,才可能可以深入的大科学时代,所以需要善于科研的团队合作,就像DDS烟道气除尘脱硫脱硝技术的研究过程一样,花费数亿科研经费,前后有各种不同专业的上千名的科研人员参与了本研究。因此,要真正促进我国的科学技术迅速发展,而国家也要从体制、机制上进行彻底改革,坚决杜绝办成以前“象牙塔”式的大学和科研机构,一定要抛弃以前那种科研与实践分开或相互脱节的“空中楼阁”式的或闭门造册式的科研行为和跟风式的科研行为,公平公正地大力扶持真正对国计民生有巨大影响和作用的基础研究和应用研究,并减轻科研人员所面临的极大压力,以各种各样的方式鼓励科研人员亲自参与到社会方方面面的实践活动的经济大潮中来,真正实现大众创新,万众创业,共同实现中国科学与技术的并齐腾飞!