他“馴服”了稀土鈰，用“脫硝”守護(hù)藍(lán)天白云

“我的夢想是通過不斷的科技創(chuàng)新，為大氣污染治理工作服務(wù)，還天空一片湛藍(lán)白云飄，還河流一片澄明見底空?！蹦暇┕I(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授沈岳松出生于青山綠水之地安徽望江，是一個(gè)“80 后”科研人，自2005年入學(xué)南京工業(yè)大學(xué)攻讀碩士學(xué)位開始，就一直奮戰(zhàn)在綠色高效“脫硝”的路上。

由沈岳松主持的項(xiàng)目《輕稀土基整體蜂窩式煙氣脫硝催化劑的關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用》，在2022年度中國化工學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)評(píng)審中獲得技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

當(dāng)疲憊時(shí)想起這首歌

“藍(lán)藍(lán)天上白云飄，白云下面馬兒跑……”沈岳松工作疲憊時(shí)會(huì)哼唱蔣大為這首《草原上升起不落的太陽》。他說，當(dāng)科研疲憊時(shí)，這首歌所呈現(xiàn)出的美好畫面會(huì)神奇地給他提供精神動(dòng)力，敦促著他不懈前行。

為了打贏“藍(lán)天保護(hù)戰(zhàn)”和實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”，煤改氣成為減污降碳發(fā)展的重要舉措。然而，煤改氣過程中氮氧化物排放不減反增，是形成PM2.5、酸雨、霧霾和臭氧等污染物的重要前體物。因此，氮氧化物治理（俗稱“脫硝”）是大氣污染長久治理的重點(diǎn)，也是“十四五”要求實(shí)現(xiàn)PM2.5和臭氧等多污染物協(xié)同控制的關(guān)鍵。

“大氣污染開始從硫酸型霧霾轉(zhuǎn)變?yōu)橄跛嵝挽F霾，脫硝任務(wù)更加突出，氮氧化物超低排放成為當(dāng)前耗能產(chǎn)業(yè)亟待解決的卡脖子難題?！睋?jù)沈岳松介紹，煙氣脫硝治理的關(guān)鍵在于選擇性催化還原高效脫硝催化劑的應(yīng)用。作為氮氧化物排放大國，我國前期引進(jìn)、消化吸收了國外釩基脫硝催化劑技術(shù)，這雖然部分緩解了氮氧化物的污染，但因其活性組分五氧化二釩屬水溶性劇毒物質(zhì)，不僅在生產(chǎn)使用中，而且在廢棄后仍具高毒性，再次威脅環(huán)境安全，難以實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展。

“水溶性五氧化二釩用于脫硝催化劑還存在三個(gè)弊端：其催化SO2向SO3高效轉(zhuǎn)化，SO3易與氨反應(yīng)生成大量硫銨鹽，造成催化劑中毒失效；其高溫?fù)]發(fā)性易造成二次污染，不適用高溫脫硝；廢棄釩基催化劑已于2014年被環(huán)保部列入危廢監(jiān)管，無害化處理費(fèi)用高達(dá)4000 元/ 立方米?！睋?jù)沈岳松介紹，他們團(tuán)隊(duì)研發(fā)的稀土基催化劑環(huán)境友好，沒有危廢處置問題。

稀土基催化劑“完美”問世

“從碩士到博士再到博士后，從國內(nèi)到國外再回國內(nèi)，我對(duì)輕稀土基脫硝催化劑可謂‘一往情深’。”沈岳松笑著說，2005年，他考入南工大攻讀碩士學(xué)位，在南京工業(yè)大學(xué)教授祝社民指導(dǎo)下，開始著手研究環(huán)境友好的煙氣脫硝催化劑。

祝社民先后前往加拿大渥太華大學(xué)、丹麥技術(shù)大學(xué)和日本金沢大學(xué)等海外高校從事講學(xué)和合作科學(xué)研究工作，接觸了國際上最新的空氣治污理念——用稀土基催化劑取代釩基催化劑來脫硝。

“我國高豐度稀土元素具有價(jià)格低的特點(diǎn)?！弊Ｉ缑癖硎?，目前尚有貴金屬和分子篩等兩種脫硝催化劑，但貴金屬催化劑動(dòng)輒每立方米近百萬元，且存在成本高、分子篩脫硝催化劑易發(fā)生灰堵等情況，而金屬氧化物催化劑成本低、熱穩(wěn)定性高、抗中毒能力強(qiáng)，因此開采重稀土?xí)r產(chǎn)生的輕稀土廢渣即氧化鈰，憑借環(huán)境友好、強(qiáng)氧化還原特性得以脫穎而出?！暗牵趸嫶嬖谒嵝匀?、易硫中毒、高溫水熱穩(wěn)定差和活性窗口窄等‘短處’，不能直接用于替代五氧化二釩?！?/p>

“微觀結(jié)構(gòu)差異會(huì)導(dǎo)致材料性能的迥異，如同由碳原子構(gòu)成的物質(zhì)，有的貴為鉆石，有的僅為木炭?！鄙蛟浪尚蜗蟮亟忉屃送禺愋误w和同質(zhì)異構(gòu)體的區(qū)別。

為使輕稀土氧化鈰既能替代五氧化二釩作為脫硝催化劑，又能克服自身弊端，沈岳松從碩士讀到了博士，后又前往美國亞利桑那大學(xué)從事博士后研究工作。“海外的導(dǎo)師雖曾向我拋出了橄欖枝，但是課題組的一紙召喚，結(jié)束了研究工作后，我還是義無反顧地回到了母校、回到了團(tuán)隊(duì)?！?/p>

十八年的時(shí)間，沈岳松慢慢地掌握并“馴服”了稀土鈰，首次提出并成功研制了以其為主活性組成分的綠色高效脫硝催化劑，通過三個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)改性，揚(yáng)其長補(bǔ)其短，實(shí)現(xiàn)了稀土基催化劑全生命周期綠色高效脫硝和大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。

“過程很艱辛，經(jīng)歷了成功——失敗——成功的循環(huán)往復(fù)，符合科學(xué)研究螺旋式上升的路徑?！鄙蛟浪杀硎荆骸捌鸪跷覀円詥我谎趸嫗榛钚越M分，研制了系列負(fù)載型鈰基催化劑，在寬泛的活性溫度窗口內(nèi)取得了高效的脫硝效率，以為該系列催化劑可以直接替代釩基脫硝催化劑了，但是在工程試驗(yàn)中又出現(xiàn)了運(yùn)行壽命短的難題?！?/p>

團(tuán)隊(duì)成員、南京工業(yè)大學(xué)教授陳英文介紹，他們創(chuàng)建了高效鈰基復(fù)合氧化物脫硝催化劑新體系，實(shí)現(xiàn)了煙氣脫硝催化劑的環(huán)境友好目標(biāo)，為高豐度輕稀土鈰高附加值利用開辟了新路徑，新型稀土基系列催化劑脫硝效率高（＞90%），活性溫度寬（280℃～450℃），使用壽命超過5年，顯著優(yōu)于商用中溫釩基催化劑。

“通過化學(xué)修飾、納米改性，我們發(fā)明了整體蜂窩式脫硝催化劑的關(guān)鍵制備技術(shù)，解決了蜂窩催化劑的高活性與高強(qiáng)度難以并存的難題，提升了國產(chǎn)鈦白粉性能，既解決了其脊性成型難問題，又使原料成本下降了20%，實(shí)現(xiàn)了載體鈦白粉的國產(chǎn)化?！眻F(tuán)隊(duì)成員、南京工業(yè)大學(xué)教授級(jí)高工王志民介紹，他們提升了材料強(qiáng)度和催化活性，使稀土基催化劑的強(qiáng)度、硬度較之釩基催化劑提高了2～3 倍。工程試驗(yàn)表明釩基催化劑在反應(yīng)器中1次爆管即坍塌，而稀土基經(jīng)歷4 次爆管依舊完整無損，運(yùn)行時(shí)間遠(yuǎn)超5年。

“開發(fā)了提前響應(yīng)噴/閉氨的方法，實(shí)現(xiàn)了稀土脫硝催化劑在波動(dòng)工況下儲(chǔ)/釋氨性能的高效穩(wěn)定，氨逃逸小于3 ppm?！睋?jù)沈岳松介紹，他們還研發(fā)了失活催化劑負(fù)壓清灰、超聲水洗及活性修復(fù)等系列再生新工藝及裝備，二次脫硝成本降低40%。同時(shí)，他們將廢棄的稀土催化劑資源化制備成多孔陶瓷膜催化劑、鈦基紡織瓷及催化膠結(jié)電石渣磚等，實(shí)現(xiàn)了輕稀土基催化劑的應(yīng)用與再生利用。“為了更好地保護(hù)環(huán)境，我們變廢為寶，使廢渣再次發(fā)揮作用，實(shí)現(xiàn)了稀土催化劑的全生命周期的綠色可持續(xù)發(fā)展?！?/p>

建成世界最大生產(chǎn)線

2016年，稀土基脫硝催化劑被國家三部委指定為釩基脫硝催化劑的替代品。脫硝工程已在中國華能集團(tuán)有限公司、中國大唐集團(tuán)有限公司、中國神華集團(tuán)有限責(zé)任公司等全國280 多家火電、建材、化工行業(yè)應(yīng)用，近五年新增經(jīng)濟(jì)效益24.5 億元。

“我們公司近期要上環(huán)境友好型脫硝催化劑生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目，對(duì)你們研發(fā)的環(huán)境友好型稀土基脫硝催化劑很感興趣?！?月底，中國石化催化劑有限公司副總經(jīng)理劉志堅(jiān)率隊(duì)來南工大，找沈岳松團(tuán)隊(duì)洽談合作事宜。“成熟的稀土脫硝催化劑倍受市場歡迎，早前就知道該項(xiàng)目的技術(shù)成果已建成世界最大脫硝催化劑生產(chǎn)線?！彼d奮地說道。

“2015年，日本住友商事金岡秀紀(jì)總經(jīng)理也曾率隊(duì)來找我們商談合作，這讓我們十分的自豪，20 世紀(jì)五六十年代，美國研發(fā)出的SCR 煙氣脫硝技術(shù)是由日本率先進(jìn)行了工程應(yīng)用?！笔澜缟蟂CR 脫硝技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的領(lǐng)跑者來談合作，讓團(tuán)隊(duì)成員感慨萬千，倍受鼓舞。

“項(xiàng)目成果填補(bǔ)了國內(nèi)外煙氣脫硝無毒催化劑技術(shù)的空白，達(dá)到了國際領(lǐng)先水平?！痹缭?011年，科技部、環(huán)保部、工信部、發(fā)改委、環(huán)境院等部委參加的成果鑒定會(huì)上，評(píng)審專家一致給出了很高的評(píng)價(jià)，認(rèn)為該項(xiàng)技術(shù)成果顯著提升了我國無毒脫硝催化劑的技術(shù)水平，推動(dòng)了產(chǎn)業(yè)進(jìn)步。

據(jù)悉，該項(xiàng)目先后獲授權(quán)發(fā)明專利34 件，主導(dǎo)制定了GB/T 34700-2017 稀土型SCR 脫硝催化劑國家標(biāo)準(zhǔn)，入選國際百強(qiáng)環(huán)保技術(shù)等。

“打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)任重而道遠(yuǎn)，需要對(duì)大氣污染的來源、排放特征和工況因素等進(jìn)行深入研究，這涉及氮氧化物與揮發(fā)性有機(jī)化合物、PM 2.5 和臭氧等多污染物協(xié)同控制，以及‘雙碳’戰(zhàn)略目標(biāo)達(dá)成?！鄙蛟浪杀硎荆旅嫠麑ьI(lǐng)團(tuán)隊(duì)就多污染物協(xié)同控制進(jìn)行深入研究，“希望實(shí)現(xiàn)‘一鍵處理’?！?/p>