化工新材料产业对低碳发展的影响

2022-11-24黄俊杰济南大学山东济南250024

化工管理 2022年30期

黄俊杰(济南大学，山东济南 250024)

0 引言

全世界范围内的二氧化碳排放量最近50年来出现了逐年增加的趋势，2020年全世界范围内的二氧化碳排放量为323亿吨，所以让碳排放减少已成为了现阶段必须解决的一个问题[1]。而在低碳发展进程中，化工新材料具有非常重要的作用。本文主要分析了化工新材料产业对低碳发展的影响，希望能为炼化行业的进一步发展提供参考。

1 新材料产业的现状分析

新材料具体是指正在发展或者新进发展的性质特殊的功能材料及性能优异的结构材料，其品种繁多，从结构组成上可以将其分为先进复合材料、有机高分子材料、无机非金属材料、金属材料等[2]。在新材料中，化工新材料则是非常重要的组成部分之一，是整个化学工业中极具发展潜力和活力的新材料。在我国的经济发展中，化工新材料的作用越来越突出，其应用范围也越来越广泛，无论是在交通运输方面、新能源方面、医疗卫生方面，还是在航空航天、电子信息以及国防军工等方面，化工新材料的应用均非常广泛[3]。

2 化工新材料产业对低碳发展的影响

2.1 可再生原料

(1)通过生物质原料进行新材料的生产。我国具有丰富的生物质资源，如：城市生活垃圾、农林业废弃物等。每年我国可利用的全部生物质资源中，大约有4亿吨为农业废弃物，另外林业废弃物也有大约3.5亿吨。光合作用为生物质原料的主要来源，是实现碳汇、对自然界二氧化碳进行吸收的有效途径之一[4]。植物生长期间，利用光合作用，每年转化成碳水化合物的二氧化碳大约有2 000亿吨，所以，生物质材料是一种低碳材料，其二氧化碳排放量非常低，大约为石化基塑料的1/5[5]。不仅生产生物质产品的过程能明显减少碳排放量，在使用期间也能有效减少碳排放量，通过不断增加生物质产品的占比，减排优势也会更加突出[6]。现阶段，在储能碳材料、绿色建材、生态农业及环境修复、能源等领域，生物质原料得到了广泛应用。在制备碳材料时，选择生物质材料，将传统的电池石墨电极所取代，能让储能性能明显提高；在绿色建材方面，新型纤维板、秸秆复合墙板、木塑复合材料等发展现已比较成熟；在生态农业及环境修复方面，生物炭直接还田、生物质可降解地膜等技术现阶段已接近实用化，已得到了小规模的推广；在生物航空燃料、生物乙醇、生物柴油等能源方面，生物质原料现阶段已实现了规模化应用，而生物质原料的碳减排效果也得到了肯定。今后在进行化工新材料的生产时，生物质将是非常重要的一项原料来源。

(2)以二氧化碳为原料生产新材料。①二氧化碳热化学转化：在二氧化碳的化工利用途径中，氢气在合成甲醛的过程中具有非常重要的作用，原料选择“绿氢”，该原料则是利用可再生电力电解水所制作而成的，成为了甲醇合成的一个新途径，因为对环境的友好性更加理想，所以受到了行业的关注；环氧乙烷和二氧

化碳共聚能进行碳酸乙烯酯的合成，环氧丙烷与二氧化碳共聚则能进行碳酸丙烯酯的合成，而碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯能生产高分子共聚生物材料、全生物降解材料、二氧化碳基阻燃保温材料、聚碳酸亚丙酯基水性聚氨酯、聚碳酸亚丙脂多元醇[7]。综上分析发现，二氧化碳和环氧乙烷、环氧丙烷等反应制备可降解塑料、聚碳酸酯等新材料，是将来二氧化碳应用的一个热点领域。②二氧化碳电化学还原：现阶段常常采用热化学还原法、电化学还原法、光化学还原法以及光电催化还原法等来对二氧化碳进行转化、利用。和其他转化利用技术相比较，电化学还原技术具有比较显著的优势，例如能通过对电解条件进行控制来对目标产物进行调控，能合成不同的含碳化合物、具有较高的催化效率，能采用清洁能源，反应条件相对温和。就算运行温度较低，也能实现电催化还原二氧化碳的整个过程，获得碳氢化合物、含氧化合物的方法比较简单，作为减排方案的一种，其吸引力非常巨大[8]。通过高效电化学反应器构型、增加二氧化碳压力、采用高活性电催化材料等措施，能让电化学的还原效率明显提高。

2.2 新材料固碳作用

(1)高端碳材料。高端化碳材料主要包括了石墨烯、富勒烯、碳纳米管以及碳纤维等。利用煤炭、石油、天然气能生产获得碳材料，而利用生物质原料也能产生获得碳材料。对于碳材料来讲，其成分主要为碳元素，在转化化石原料期间，有些碳会转移到碳材料当中，能对化石原料中的碳去向问题进行有效解决，为全产业链提供支撑，让碳排放减少。改性沥青属于高等级道路沥青之一，在基质沥青当中加入各种添加剂，如：磨细橡胶粉、天然沥青、高分子聚合物、树脂等，进而提升产品性能，其固碳量大约为85%。在进行高端炭石墨材料的制备时，中间相沥青作为前驱体，不但具有高模量的优点，而且其高导热的优势也比较突出，可以将其作为制备沥青碳纤维的原料，无论是在航天航空方面，还是在尖端工业方面，其都具有比较理想的应用前景。石油焦的固碳量大约为90%，其作为廉价、优质的碳源，可用于制备附加值较高的新材料，现阶段在电池负极材料、智能材料、先进复合材料、纳米碳化钨材料等领域中，其应用前景非常广泛[9]。

(2)车用轻量化材料。选择轻量化材料不但能让汽车的动力性明显提高，而且能降低排放、实现节能；相关研究发现，通过减轻汽车自重，能起到明显的省油效果，进而让二氧化碳排放量明显减少。常用的汽车轻量化材料有玻璃纤维复合材料、碳纤维复合材料、工程塑料、合成树脂复合材料、铝镁合金以及高强度钢等。而现阶段主要的发展方向则是“以塑代钢”。现阶段我国的车用塑料消费量从整体上表现出不断增长的趋势，在减少二氧化碳排放、降低油耗、实现车体轻量化、“以塑代钢”等方面，这类材料具有非常重要的作用。

(3)新能源材料。①光伏材料：该材料能将太阳能直接转换成电能；太阳能电池板的组成一共为5层材料，分别为背板、乙烯与醋酸乙烯酯的共聚物(EVA)、太阳能电池片、EVA、光伏玻璃。电池片一般选择半导体材料，如：非晶硅、多晶硅、单晶硅等。EVA是对电池片进行封装的一种热熔胶黏剂，能充分粘结背板、钢化玻璃与电池片，提升电性能的输出。光伏装置背板材料一般选择聚氟乙烯复合膜材料，其耐老化性、阻水性、绝缘性均比较理想，能有效支撑和保护电池片[10]。②风电材料：分析整个风电产业发现，其上游材料包括了叶片、电缆、主轴、机舱罩、风机、塔筒，而风电机组在将风能向机械能转化时，风电叶片则是一个核心的关键部件，在整个风力发电系统成本中，其成本占比大约为2/10～3/10。从结构方面分析，风电叶片的组成包括了表面涂料、基体材料、夹芯材料、增强材料以及结构胶。

(4)碳捕集材料。为了“双碳”目标能有效实现，相关行业也开始更加关注二氧化碳的捕集基础，而捕集材料的研究和开发也受到了更多关注。从烟道气中对二氧化碳进行捕集的常用方法包括固体吸附法、低温冷凝法、膜分离法、吸收法，现阶段使用最成熟、最广泛的捕集火电厂排放二氧化碳的技术就是固体吸附剂吸附二氧化碳，该技术不仅成本低、材料稳定性理想，而且回收率高、吸附量大、吸附温度范围宽。现阶段的吸附材料包括负载氨基材料、类水滑石类吸附材料、金属氧化物及其盐、金属有机骨架材料、沸石、炭基材料等。

2.3 废弃材料的回收及循环利用

(1)化学回收废弃材料。在努力实现节约资源、减少排放的这一过程中，对废弃材料进行回收和再利用是非常重要的一项措施。例如废塑料，可通过化学方法、物理方法来对其进行回收再生。如果废塑料较为干净，品类单一、价值高，则可以采用物理方法，然而回收产物却无法有效满足医药、食品等领域的要求。如果废塑料受污染、价值低，则可以选择化学方法进行回收再生。

(2)化学回收废塑料的减碳效果。采用化学方法对废塑料进行回收再利用，这种措施的减碳作用尤为突出，在产品中对碳进行固化处理，进而让碳排放明显减少。和焚烧处置相比较，采用化学回收处置废塑料，能让碳排放减少大约50%。

3 发展化工新材料产业的措施

3.1 加强炼化转型升级，转变炼油行业，促进行业的高质量发展

应不断转变和调整炼油行业，实现炼化的转型升级，让整个行业能实现高质量的发展。我国的成品油消费现阶段表现出趋缓的特点，但是整个市场对新材料的消费需求却比较旺盛，增加下游化工新材料和化工原料的产量，减少油品的产量，不仅是促进炼化行业转型升级的趋势，而且也是促进高质量发展的趋势。

3.2 加强科技创新

在市场消费需求不断增加以及产业政策的大力支持下，最近几年我国的新材料无论是在年均增速方面，还是在产量、产能方面，均处于全球前列，然而从整体上进行分析发现，在世界的产业价值链当中，我国的化工新材料则处在中低端，现有产品无论是附加值还是技术含量，均比较低，和发达国家存在明显差距，有些新材料因为具有较高的技术门槛，产品的更新换代和技术研发速度比较缓慢，所以对这些材料具有较高的对外依存度。应重视试验基地的建设工作，积极开展试验研究，加大投入力度，对于核心技术应真正地实现自主掌握，并积极应用到工业化的生产活动中，满足生产需求，让我国能在化工新材料领域中实现高水平科技的自强和自立。除此之外，应对落后产能进行淘汰，对产业结构进行不断优化和调整。

3.3 加强协同创新

新材料产业不仅具有明显的基础性特点，其战略性特点也非常突出，国家层面的竞争也越来越突出。分析我国化工新材料市场的现状发现，现阶段的消费需求正表现为不断增加的趋势，同时国家也针对新材料产业制定一系列的激励政策，社会各界也开始更加重视化工新材料，各个省市也针对化工产业的发展颁发出台了各种规划，开始重点发展化工新材料。国内无论是石油石化企业，还是科研院所，也开始进行积极布局，加大投入重点研发化工新材料；在国内的化工新材料市场中，国际化工公司以及石油巨头也越来越多，新材料也成为了了新建大型石化项目的主要产品线，项目的运营主体也表现出明显的多样化局面。国家相关部门应加强规划设计，将大型的石油石化企业当成是创新的重要战场，将国家级的新材料科研项目当成重点，让生产运营、创新投入的主体作用得以充分发挥，相关科研院所及高等院校共同参与，促进产学研用的协同创新和深度融合，对石化企业的产业链短板进行有效弥补，促进科技成果的有效转化。

3.4 加强人才的培养和引进

从化工产业链进行分析法案，化工新材料还处在末端，大企业在过往并没有过多的涉足化工新材料，缺乏高层次的人才，缺乏创新能力，进而对业务发展造成直接影响。对国家相关部门来讲，应超前布局，针对培养和引进高端人才制定科学的措施，并出台相关的政策文件，积极引进海外人才，尤其是专业性的战略领军人才，让人才短缺的现象得以有效解决。从企业方面分析，则应积极招聘和录用新材料科技人才，对现阶段的人才队伍应认真做好培养工作，将科研项目当成人才培养的载体，让科技创新机制、体制得以充分激发，简政放权、组建团队，对人才待遇进行合理调整和提升，让其创新活力得以充分激发，促进科研成果的有效转化，使炼化行业有效实现转型和升级。