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 8月13日，“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新產(chǎn)品發(fā)布會，中國科學院蘭州化學物理研究所與合作企業(yè)江蘇神力特生物科技股份有限公司（簡稱神力特公司）發(fā)布了最新研制生產(chǎn)的凹凸棒石玉米赤霉烯酮吸附劑，標志著該產(chǎn)品已進入產(chǎn)業(yè)化推廣階段。

“黏土礦物大多是采用傳統(tǒng)的擠壓、研磨、煅燒和篩分等加工工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品，產(chǎn)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(tǒng)的處理方法釋放了黏土礦物的基本特性，但仍沒有實現(xiàn)納米特性的有效應用。”王愛勤研究員現(xiàn)任中科院蘭州化物所環(huán)境材料發(fā)展中心主任，多年來一直從事凹凸棒石高值研究。

采用濕法工藝，王愛勤研究員帶領的團隊先后與企業(yè)合作實現(xiàn)了凹凸棒石納米無機凝膠的間歇式生產(chǎn)和凹凸棒石棕櫚油脫色劑的半自動化生產(chǎn)，而他們一直做著產(chǎn)品全自動化生產(chǎn)的“夢”。

3年前，江蘇神力特生物科技股份有限公司找到王愛勤研究員，想合作開發(fā)凹凸棒石玉米赤霉烯酮吸附劑，王愛勤提出的惟一要求是，在產(chǎn)品開發(fā)成功后要建一條全自動的生產(chǎn)線。“只要產(chǎn)品性能達到國外同類產(chǎn)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(xiàn)‘華麗轉(zhuǎn)身’，產(chǎn)品性能穩(wěn)定，必須向濕法、自控的新工藝轉(zhuǎn)型升級。”

濕法生產(chǎn)是高值利用的前提

我國凹凸棒石資源儲量豐富，從20世紀80年代以來，產(chǎn)業(yè)的發(fā)展經(jīng)歷了起步、仿制和自主創(chuàng)新等階段。

作為我國凹凸棒石產(chǎn)業(yè)發(fā)展的代表，江蘇盱眙目前有凹凸棒石黏土加工企業(yè)55家，生產(chǎn)產(chǎn)品50余種，已經(jīng)形成了產(chǎn)業(yè)集群，但90%以上的企業(yè)采用干法或半干法生產(chǎn)，產(chǎn)品的附加值低，產(chǎn)品售價大多在1000~3000元/噸。

據(jù)王愛勤介紹，干法工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品性能完全取決于凹凸棒石的品位，而隨著優(yōu)質(zhì)礦產(chǎn)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它礦物，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(xiàn)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(shù)、制漿濃度到除砂目數(shù)、干燥方法和水的循環(huán)使用，開展了系統(tǒng)的研發(fā)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(huán)節(jié)多、參數(shù)量大，合作企業(yè)甚至對這樣的工藝產(chǎn)生懷疑。

經(jīng)過歷時3年的反復試驗，2011年終于實現(xiàn)了凹凸棒石濕法的間歇式生產(chǎn)，凹凸棒石產(chǎn)品的售價達到了每噸5萬元以上，合作企業(yè)露出了笑臉。

王愛勤告訴記者，凹凸棒石棒晶長約1~5 μm，直徑約20~70 nm，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(chǎn)業(yè)發(fā)展的關鍵瓶頸因素。

“我們開發(fā)的對輥處理—制漿提純—高壓均質(zhì)—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(xiàn)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(yè)有限公司開展了凹凸棒石棕櫚油脫色劑的開發(fā)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(jié)合，成功實現(xiàn)了連續(xù)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(lián)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(zhì)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(huán)使用，不會對環(huán)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、小麥、燕麥、大麥等谷類作物中，動物食用后主要表現(xiàn)為慢性毒性、致癌作用、生殖毒性、發(fā)育毒性及遺傳毒性，可引起動物流產(chǎn)、死胎、返情等生殖異常現(xiàn)象，是霉菌毒素中污染較嚴重且對人和動物危害較大的一種毒素。

吸附法是目前去除毒素最有效的方法之一，但已有的產(chǎn)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(nèi)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》2本專著。在凹凸棒石微觀結(jié)構(gòu)與構(gòu)效關系基礎上，針對玉米赤霉烯酮的分子結(jié)構(gòu)和極性，采用凹凸棒石棒晶束“拆”與“裝”的原理，實現(xiàn)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(zhì)、維生素等營養(yǎng)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(chǎn)線展開了討論。由于自控系統(tǒng)資金投入較大，企業(yè)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(jīng)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(chǎn)線，產(chǎn)品經(jīng)用戶應用后其效果達到國外同類高端產(chǎn)品性能。

一直以來，應對各種霉菌毒素的危害是畜牧業(yè)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(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展，同時還能實現(xiàn)我國高端霉菌毒素吸附劑自主產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，突破國外產(chǎn)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(fā)揮積極的作用。

邁向工藝智能化

近日，中國建筑材料聯(lián)合會印發(fā)了《建筑材料工業(yè)“十三五”科技發(fā)展規(guī)劃》，在分析存在的問題時，規(guī)劃指出，“我國黏土礦物材料產(chǎn)品附加值低，產(chǎn)品性能還不能滿足實際需求，信息化處于發(fā)展階段，智能化還在探索當中”。“工藝自主創(chuàng)新不足且缺乏連貫性和系統(tǒng)性，難以引發(fā)或推動產(chǎn)業(yè)鏈的整體創(chuàng)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(xié)議。“我們只是黏土礦物智能化工藝的探索者和實踐者?，F(xiàn)在，雙方強強聯(lián)合，將進一步研發(fā)系列新產(chǎn)品，提升工藝自動化水平，該研究內(nèi)容已被列為研究所‘一三五’規(guī)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(xù)完善技術工作，在開發(fā)嘔吐毒素和廣譜霉菌毒素吸附劑的同時，將引入機器人進行包裝工作，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(yè)從傳統(tǒng)工藝向智能化生產(chǎn)邁進，并帶來顯著的經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益。