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20世紀(jì)90年代，全國(guó)許多化工廠為生產(chǎn)鉻鹽而遺留下一座座高聳的鉻渣山。這些鉻渣山逢下雨便會(huì)流出黃水，使高毒性六價(jià)鉻離子滲入土壤，通過(guò)飲用水和食物鏈進(jìn)入人體，嚴(yán)重影響人畜健康。整個(gè)鉻鹽行業(yè)都在呼吁生產(chǎn)工藝重大變革。

1996年至2007年間，中國(guó)工程院院士、中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所（以下簡(jiǎn)稱過(guò)程工程所）研究員張懿帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)，先后在重慶和河南完成工業(yè)試驗(yàn)和產(chǎn)業(yè)化示范，率先把資源與材料化學(xué)化工的研究方法和成果融合滲透到環(huán)境工程領(lǐng)域，開(kāi)拓了綠色化學(xué)-清潔生產(chǎn)工藝與技術(shù)研究新領(lǐng)域，為我國(guó)鉻鹽工業(yè)鉻渣源頭削減提供了技術(shù)支撐。

2007年，萬(wàn)噸級(jí)鉻鹽清潔生產(chǎn)技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化示范項(xiàng)目通過(guò)驗(yàn)收。

在當(dāng)年的工程現(xiàn)場(chǎng)，科研人員不僅勇闖科學(xué)技術(shù)的“無(wú)人區(qū)”，而且與一系列現(xiàn)實(shí)困難持續(xù)搏斗：有人睡在車間里的涼椅上與工人一起三班倒，有人冒著被高溫、強(qiáng)堿灼傷的危險(xiǎn)搶修管道，有人一直忍受著對(duì)廠區(qū)相關(guān)生產(chǎn)原料中重金屬嚴(yán)重過(guò)敏的折磨……

如今，作為張懿生活上的伴侶和事業(yè)上的戰(zhàn)友，過(guò)程工程所研究員李佐虎回憶起這段經(jīng)歷時(shí)卻十分淡然：“要做成這件事情，這點(diǎn)辛苦不算什么！”

張懿、陳家鏞、李佐虎（從左至右）在車間留影。

1?無(wú)處安放的鉻渣山

1995年，齊濤來(lái)到中國(guó)科學(xué)院化工冶金研究所（過(guò)程工程所的前身，以下簡(jiǎn)稱化冶所）開(kāi)啟博士后階段研究工作。加入張懿團(tuán)隊(duì)，他第一站就來(lái)到位于沈陽(yáng)的一家化工廠。在那里，他親眼目睹了堆積如山的鉻渣。

“整個(gè)廠區(qū)都是黃色的，鉻渣到處都是?！庇|目驚心的場(chǎng)景，讓齊濤深受震撼。

當(dāng)時(shí)，國(guó)家“八五”科技攻關(guān)項(xiàng)目任務(wù)下達(dá)不久，化冶所科研團(tuán)隊(duì)與當(dāng)?shù)鼗S計(jì)劃開(kāi)展技術(shù)合作，完成“千噸級(jí)連續(xù)液相氧化法生產(chǎn)鉻酸鈉”工業(yè)試驗(yàn)。

鉻鹽是我國(guó)無(wú)機(jī)化工主要產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用于制革、顏料、金屬表面處理等工業(yè)過(guò)程中。然而，傳統(tǒng)工藝在將鉻鐵礦石轉(zhuǎn)化為工業(yè)用鉻鹽的過(guò)程中，不僅需要高溫氧化，還需要加入大量固體輔料，鉻回收率低，產(chǎn)生的廢渣中含有大量六價(jià)鉻，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。

“像這樣的鉻渣，整個(gè)化工行業(yè)每年大概要產(chǎn)生幾十萬(wàn)噸，在全國(guó)各地堆積成山，總量達(dá)到幾百萬(wàn)噸之多。”張懿深知，鉻鹽行業(yè)的重污染不僅讓業(yè)內(nèi)人頭疼，而且關(guān)乎國(guó)家可持續(xù)發(fā)展、人民生命健康。

聯(lián)合國(guó)1992年通過(guò)的《21世紀(jì)議程》指出，開(kāi)發(fā)“清潔技術(shù)”是一項(xiàng)重要工作。我國(guó)也將“清潔生產(chǎn)技術(shù)”列為資源環(huán)境領(lǐng)域的重點(diǎn)發(fā)展方向。

不過(guò)，當(dāng)時(shí)“清潔生產(chǎn)技術(shù)”還是一種烏托邦式的存在。過(guò)程工程所研究員鄭詩(shī)禮于1997年師從張懿攻讀博士學(xué)位，他經(jīng)常聽(tīng)到張懿提起“清潔生產(chǎn)”四個(gè)字，感覺(jué)是前瞻性很強(qiáng)的學(xué)術(shù)思想。

“當(dāng)整個(gè)化工行業(yè)還在考慮如何處理鉻渣這類污染物時(shí)，張老師就開(kāi)始琢磨怎么樣用‘源頭治理’替代‘末端治理’革新生產(chǎn)過(guò)程、不產(chǎn)生污染物了?！编嵲?shī)禮說(shuō)。

2?拓展“濕法冶金”

徹底革新工藝，必須從新化學(xué)反應(yīng)體系出發(fā)，這是張懿擅長(zhǎng)的領(lǐng)域。1958年，她在東北工學(xué)院（現(xiàn)東北大學(xué)）冶金物理化學(xué)專業(yè)學(xué)習(xí)，畢業(yè)后被分配到化冶所濕法冶金研究室，在我國(guó)著名濕法冶金學(xué)家陳家鏞院士指導(dǎo)下開(kāi)展工作。

陳家鏞曾采用“氨浸法”回收尾礦中的銅，開(kāi)創(chuàng)“濕法冶金”工藝先河，解決了將礦石“吃干榨凈”這道世界難題。

傳統(tǒng)冶金的原理是將礦石在高溫下進(jìn)行化學(xué)轉(zhuǎn)化，氧化或還原得到金屬或金屬化合物，礦石分解過(guò)程中沒(méi)有水溶液加入，被稱為“火法冶金”。與之相對(duì)應(yīng)，“濕法冶金”則是一種在液體溶劑作用下從礦石中提取和分離金屬的方法。

20世紀(jì)80年代，張懿開(kāi)始在“濕法冶金”領(lǐng)域嶄露頭角。她開(kāi)發(fā)了鎳基合金電解泥資源化利用技術(shù)，并在貴州工廠完成示范，解決了我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片生產(chǎn)中的環(huán)境污染問(wèn)題。

沿著“濕法冶金”的思路，張懿對(duì)革新鉻鹽生產(chǎn)工藝有了明確思路：“傳統(tǒng)工藝是氣體和固體的反應(yīng)，反應(yīng)傳質(zhì)效果差，必然導(dǎo)致反應(yīng)效率低，產(chǎn)生大量廢渣。消除這種痼疾，正是‘濕法冶金’的優(yōu)勢(shì)?！?/p>

張懿認(rèn)為，只要在反應(yīng)體系中引入高化學(xué)活性的液體參與反應(yīng)，并增加反應(yīng)物之間接觸的表面積，就可以提高反應(yīng)效率。她帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)重新設(shè)計(jì)了化學(xué)反應(yīng)體系，將氫氧化鈉加熱熔化成液態(tài)作為反應(yīng)介質(zhì)，讓空氣和鉻鐵礦在其中充分接觸并反應(yīng)。這構(gòu)成了“液相氧化法生產(chǎn)鉻酸鈉”的核心創(chuàng)新。

新化學(xué)反應(yīng)體系的創(chuàng)立為團(tuán)隊(duì)后續(xù)實(shí)現(xiàn)“清潔生產(chǎn)”邁出了關(guān)鍵一步，也是對(duì)“濕法冶金”思想和理論的傳承與發(fā)揚(yáng)。

1995年前后，化冶所科研團(tuán)隊(duì)在沈陽(yáng)完成了相關(guān)工業(yè)試驗(yàn)的基礎(chǔ)工作。不過(guò)，這些先期嘗試要真正應(yīng)用在工廠的生產(chǎn)線上，還需要付出更多努力。

為此，科研團(tuán)隊(duì)一直張羅另行選點(diǎn)繼續(xù)推進(jìn)。張懿和團(tuán)隊(duì)成員都鉚足一股勁：“下決心用科學(xué)技術(shù)為化工行業(yè)擺脫重污染的困擾?！?/p>

3?初步跑通新技術(shù)

功夫不負(fù)有心人。不久后，科研團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)場(chǎng)到重慶東風(fēng)化工廠。1997年9月，齊濤進(jìn)入工程現(xiàn)場(chǎng)工作。他至今記得，當(dāng)時(shí)重大技術(shù)實(shí)施面臨巨大困難，“我們每天都在和技術(shù)‘斗爭(zhēng)’”。

1997年11月，液相氧化系統(tǒng)安裝基本就緒，進(jìn)入工業(yè)試驗(yàn)階段。一次緊急處理反應(yīng)管道堵塞時(shí)，李佐虎被突然濺出的高溫氫氧化鈉燒傷，留下了永久的疤痕。那段時(shí)間，齊濤也因?yàn)轭愃频那闆r意外留疤，他對(duì)此感到很自豪，認(rèn)為那是獎(jiǎng)勵(lì)他獻(xiàn)身科學(xué)的勛章。

張懿在重慶工程現(xiàn)場(chǎng)。

1997年12月底，工業(yè)試驗(yàn)終于取得核心技術(shù)的重大突破，千噸級(jí)規(guī)模鉻鹽清潔生產(chǎn)技術(shù)主體工程基本建成。1998年2月，該項(xiàng)目通過(guò)中國(guó)科學(xué)院主持的技術(shù)鑒定，得到同行高度評(píng)價(jià)：“這是鉻鹽行業(yè)的革命性創(chuàng)新技術(shù)。”

1999年8月，示范工程第二次開(kāi)車。數(shù)據(jù)顯示，采用新反應(yīng)工藝后，工業(yè)廢渣中的鉻含量從此前傳統(tǒng)焙燒工藝的5%左右，降低到0.5%至0.7%，渣量降為原來(lái)的1/5。這意味著，鉻回收率超過(guò)99%，這套新技術(shù)“跑通了”！

可就在科研團(tuán)隊(duì)計(jì)劃乘勝追擊開(kāi)展萬(wàn)噸級(jí)放大試驗(yàn)時(shí)，核心設(shè)備經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)行后出了問(wèn)題：反應(yīng)器因?yàn)殡y以承受長(zhǎng)時(shí)間的高溫和強(qiáng)堿腐蝕，被燒穿了。

對(duì)此，李佐虎提出一個(gè)大膽的想法——改成氫氧化鉀反應(yīng)體系，這個(gè)想法一方面來(lái)自對(duì)高錳酸鉀生產(chǎn)工藝的借鑒，另一方面在于鉀的反應(yīng)活性比鈉更高，也許可以使反應(yīng)溫度進(jìn)一步下降。

科研團(tuán)隊(duì)當(dāng)機(jī)立斷，又投入到對(duì)氫氧化鉀反應(yīng)體系的探索中。

4?原創(chuàng)亞熔鹽新概念

1999年下半年，科研團(tuán)隊(duì)再次轉(zhuǎn)場(chǎng)，這次的目的地是河南義馬。為了順利開(kāi)展工業(yè)試驗(yàn)，張懿帶著老同事王治寬和博士生鄭詩(shī)禮、徐紅彬等研究人員，回到實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展了一系列小規(guī)模實(shí)驗(yàn)。

他們先搭建了一套簡(jiǎn)易裝置。將約2升的敞口不銹鋼罐作為反應(yīng)容器，中間加一根攪拌棒，外面再套一層用來(lái)加熱的電爐套筒。實(shí)驗(yàn)人員將鉻鐵礦石、氫氧化鉀置于容器中，加熱電爐套筒至氫氧化鉀熔融。反應(yīng)結(jié)束后，實(shí)驗(yàn)人員取出反應(yīng)器降溫，觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

其間，他們注意到一個(gè)新奇現(xiàn)象：氫氧化鉀熔融之后，操作溫度降低時(shí)，反應(yīng)體系變得特別黏稠，很難把物料從反應(yīng)器中取出來(lái)。對(duì)此，張懿建議，要高度關(guān)注反應(yīng)體系的“流動(dòng)性”。

根據(jù)這條建議，科研人員開(kāi)始往反應(yīng)體系中少量加水以提高流動(dòng)性。他們意外發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氫氧化鉀濃度在70%至75%左右時(shí)，反應(yīng)效果竟然比無(wú)水的氫氧化鉀還要好！這種介于溶液和熔融狀態(tài)之間的高濃度水溶液從此走進(jìn)他們的視野。

張懿將這種非常規(guī)、臨界狀態(tài)的化學(xué)反應(yīng)介質(zhì)命名為“亞熔鹽”。2000年，科研團(tuán)隊(duì)在《化工進(jìn)展》上發(fā)表論文，首次報(bào)道了這一原創(chuàng)概念。他們期待，采用亞熔鹽這種介質(zhì)，能夠更加高效、清潔地從礦石中提取鉻鹽等人們所需要的產(chǎn)物。

2007年至2017年，科研人員對(duì)亞熔鹽介質(zhì)為何能轉(zhuǎn)化金屬、如何轉(zhuǎn)化等科學(xué)問(wèn)題展開(kāi)研究，揭示了亞熔鹽發(fā)揮作用背后的科學(xué)奧秘，相關(guān)研究技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。張懿指出，亞熔鹽是活性氧的理想載體，能夠突破傳統(tǒng)氣-液-固三相反應(yīng)的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)瓶頸。

此后，基于這些科學(xué)認(rèn)識(shí)，科研團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了“氣泡納微化”等一系列以活性氧調(diào)控為核心的礦物轉(zhuǎn)化新方法，陸續(xù)應(yīng)用于其他兩性金屬礦物資源。

5?工業(yè)放大一鼓作氣

2001年9月，有了亞熔鹽技術(shù)這項(xiàng)“看家本領(lǐng)”，科研團(tuán)隊(duì)繼續(xù)抓緊開(kāi)展實(shí)驗(yàn)室工藝優(yōu)化與工程放大?！半m然鉀和鈉只有一字之差，但工藝方案、分離原理、產(chǎn)品體系差別很大?！边^(guò)程工程所研究員李會(huì)泉說(shuō)，“我們一鼓作氣，直接從實(shí)驗(yàn)室干到了工業(yè)化?！?/p>

對(duì)此，時(shí)任義馬振興化工廠負(fù)責(zé)人尚志軍回憶：“我們工廠方面對(duì)這個(gè)項(xiàng)目沒(méi)有多大把握，但想到這個(gè)項(xiàng)目的未來(lái)生命力，我們還是愿意與科學(xué)家一起去探索。我們相信張?jiān)菏?！?/p>

科研團(tuán)隊(duì)沒(méi)有辜負(fù)這樣的信任，設(shè)計(jì)、訂貨、到貨、安裝、調(diào)試、運(yùn)行涉及諸多具體困難，他們都親力親為逐一解決。張懿帶領(lǐng)工藝團(tuán)隊(duì)，專門針對(duì)氫氧化鉀反應(yīng)體系進(jìn)行了持續(xù)優(yōu)化。李佐虎則帶著10多名學(xué)生，在現(xiàn)場(chǎng)組織工程設(shè)計(jì)、工人培訓(xùn)、安裝調(diào)試。

張懿（坐者）和團(tuán)隊(duì)成員研討科研進(jìn)展。過(guò)程工程所供圖

2002年4月，齊濤從日本訪學(xué)回國(guó)后不久，一頭扎進(jìn)工程現(xiàn)場(chǎng)，一待就是4個(gè)月。他回憶說(shuō)：“特別是工程裝置開(kāi)工前后的兩三個(gè)星期，在車間里把嗓子都喊啞了?！?/p>

過(guò)程工程所研究員徐紅彬1999年加入團(tuán)隊(duì)、攻讀博士學(xué)位，2001年參與義馬項(xiàng)目?！拔覀儼逊磻?yīng)介質(zhì)調(diào)整到氫氧化鉀亞熔鹽體系后，反應(yīng)溫度、堿的濃度都降了下來(lái)，意味著我們完全解決了此前氫氧化鈉體系面臨的工業(yè)放大問(wèn)題?！?/p>

科研人員與廠方研發(fā)團(tuán)隊(duì)一起不斷改進(jìn)完善，工業(yè)試驗(yàn)得以順利開(kāi)展并很快取得突破。2002年5月，年產(chǎn)1萬(wàn)噸規(guī)模的示范生產(chǎn)線主體工程建成，工業(yè)試車的主要技術(shù)指標(biāo)全部達(dá)標(biāo)或超過(guò)預(yù)定指標(biāo)。

6?“化工清潔生產(chǎn)”不再是夢(mèng)

河南義馬的工業(yè)試驗(yàn)取得成功，科研團(tuán)隊(duì)又遇到了新的挑戰(zhàn)。

按照起初給廠方設(shè)計(jì)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，每年生產(chǎn)重鉻酸鉀產(chǎn)品7000噸、氧化鉻1500噸?！爸劂t酸鉀產(chǎn)品的市場(chǎng)太小了，加上作為生產(chǎn)原料的氫氧化鉀比較貴，導(dǎo)致整個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)成本很高?！毙旒t彬表示。

怎么解決這個(gè)問(wèn)題？張懿和李佐虎再次提出大膽設(shè)想——用氫氣還原鉻酸鉀！在工藝流程中增加氫氣還原的環(huán)節(jié)，直接得到氫氧化鉀和氧化鉻。這樣，氫氧化鉀 “循環(huán)再生”，氧化鉻成為主產(chǎn)品銷售，一舉兩得！

2003年前后，經(jīng)費(fèi)困難的科研團(tuán)隊(duì)得到一個(gè)好消息：中國(guó)科學(xué)院黨組專門設(shè)立重大產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目，籌措并下?lián)芙?jīng)費(fèi)，為科研人員不斷拓展新技術(shù)、繼續(xù)攀登科學(xué)高峰提供了堅(jiān)實(shí)的條件保障。

優(yōu)化完善鉻化工清潔生產(chǎn)的技術(shù)集成，在河南義馬化工廠內(nèi)持續(xù)展開(kāi)。2005年完成工業(yè)試驗(yàn)、2006年完成設(shè)計(jì)、2007年開(kāi)車成功……如同“升級(jí)打怪”，科研團(tuán)隊(duì)逐一“過(guò)關(guān)”。

這些成績(jī)?nèi)〉玫谋澈螅撬麄冊(cè)诨S里與危險(xiǎn)相伴的長(zhǎng)期堅(jiān)守。李會(huì)泉在河南義馬的工程現(xiàn)場(chǎng)前后共待了3年多，最長(zhǎng)的一次有9個(gè)月。其間，他因?yàn)橛檬軅氖纸佑|鉻鹽，導(dǎo)致全身過(guò)敏?！斑^(guò)敏最嚴(yán)重的時(shí)候，不能聞到那種氣味，一進(jìn)車間渾身就發(fā)癢?！?/p>

齊濤差點(diǎn)發(fā)生安全事故。一次，反應(yīng)器出了故障，為了保證生產(chǎn)，留給科學(xué)家的維修時(shí)間只有幾個(gè)小時(shí)。他急得想鉆進(jìn)去一探究竟。這時(shí)，李佐虎喝住他：“太危險(xiǎn)了！300多攝氏度的強(qiáng)堿，人進(jìn)去就得化掉！”

鄭詩(shī)禮則“損失”了不少頭發(fā)。一次，他正在反應(yīng)物料輸送管道下方的晶體沉積槽里操作，不知道什么原因頭頂上管道中的堿泄漏了，堿液滴到頭上，他用手一摸，頭發(fā)都被燒掉了。

徐紅彬最大的感受是孤獨(dú)?！拔覀儼滋旌蛷S里的技術(shù)人員、工人一塊兒上班，可下班之后他們都回家了，我們只能回集體宿舍?！彼遥瑘F(tuán)隊(duì)成員的相互關(guān)心和鼓勵(lì)給了他溫暖和力量。

2012年，河南義馬化工廠區(qū)內(nèi)，曾經(jīng)無(wú)處安放的鉻渣山消失不見(jiàn)了，潔凈的廠區(qū)道路、綠油油的草地、歡快的小鳥(niǎo)，充滿生機(jī)和活力。在科研團(tuán)隊(duì)的倡議下，附近初步建成了“煤氣廠二氧化碳廢氣-鉻鹽清潔生產(chǎn)示范工程-水泥廠”區(qū)域性生態(tài)工業(yè)園。

行走在廠區(qū)內(nèi)，張懿感到十分欣慰：“把廢渣變成有利用價(jià)值的原料提供給其他工業(yè)，原先污染環(huán)境的廢品變成資源，這個(gè)過(guò)程模擬了自然界的生態(tài)循環(huán)。”這便是她在化工行業(yè)提出的“生態(tài)化”思想，首次將資源節(jié)約和環(huán)境污染治理兩個(gè)領(lǐng)域統(tǒng)一起來(lái)，把“清潔生產(chǎn)”與“循環(huán)經(jīng)濟(jì)”的夢(mèng)想變成了現(xiàn)實(shí)。

此后，科研團(tuán)隊(duì)陸續(xù)在鋁、鈦、釩冶金清潔工藝方面發(fā)展了一系列新的核心工藝技術(shù)，在全國(guó)各地的化工廠實(shí)現(xiàn)了多種兩性金屬的清潔生產(chǎn)，將高水平研究論文寫在祖國(guó)大地上。

如今，多位親歷者已經(jīng)成長(zhǎng)為綠色過(guò)程與工程領(lǐng)域的骨干力量。站在歷史的新起點(diǎn)上，他們決心繼承前輩深厚的理論基礎(chǔ)、前瞻的學(xué)術(shù)思想以及濃厚的家國(guó)情懷，緊緊圍繞環(huán)境保護(hù)、工業(yè)降碳與綠色發(fā)展中的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題開(kāi)展探索，為國(guó)家實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)貢獻(xiàn)智慧與力量。

（原載于《中國(guó)科學(xué)報(bào)》?2024-06-14?第4版?專題）