华南理工大学：破解技术难题 支撑VOCs治理工程

文/潘慧 吴幸雷

[导语]

近年来，华南理工大学不断加大科技改革力度，创新科技管理体制机制，高度重视基础研究及应用基础研究，积极促进各学科交叉融合，大力推进科技成果转化，涌现出一大批在国际国内有重大影响的高水平科技创新成果。今年，华南理工大学“大风量低浓度工业挥发性有机物污染治理策略与关键技术及应用”项目荣获2020年度广东省科技进步奖一等奖。

华南理工大学是直属教育部的全国重点大学，1995年进入“211工程”行列，2001年进入“985工程”行列，2017年入选“双一流”建设A类高校名单，2020年在“世界大学学术排名”中排名第151~200位。学校以雄厚的原始科研创新能力推动一流大学建设，建有27个国家级科研平台、185个部省级科研平台，数量位居全国高校前列、广东高校首位。学校大力推进科技成果转化，自2009年以来，以第一专利权人获奖总数达到38项（含2金3银），专利获奖总数排名全国高校首位。

今年，华南理工大学又新添创新成果——“大风量低浓度工业挥发性有机物污染治理策略与关键技术及应用”项目荣获2020年度广东省科技进步奖一等奖。作为项目牵头单位，华南理工大学与广州同胜环保科技有限公司、广东省环境科学研究院、广州艾尔环保工程有限公司、深圳市富可森环保科技股份有限公司和广东敦诚环保科技有限公司等环保专业治理公司及研究机构长期合作，建立了紧密的合作关系，共同完成了本项目的研发和技术应用工作。项目研发过程中，项目团队边工作边发展，形成了一支高水平的研发和工程应用队伍，在国内产生较大影响。项目负责人叶代启教授重点专注于工业有机废气技术政策与标准规范研究、污染控制技术及装备研发与产业化工作，是国内大气污染治理领域知名的专家学者，担任华南理工大学环境与能源学院院长，兼任中国环境科学学会常务理事，中国环境科学学会挥发性有机物控制专业委员会常务副主任委员兼秘书长，挥发性有机物污染治理技术与装备国家工程实验室主任,大气环境与污染控制广东省重点实验室主任等。

协作创新出成果 治污技术达国际先进水平

珠三角作为全国大气污染治理的先行示范区，在全国最早面临臭氧和细颗粒物复合污染的问题，其中挥发性有机物（VOCs）是造成复合性大气污染的重要前体物，也是来源最广泛、成分最复杂的污染物。项目团队针对VOCs的最主要来源——工业源中普遍排放的废气——大风量低浓度有机废气，开展详细的污染来源与排放特征分析，想办法“摸清底数”，对现有污染治理技术和材料进行全面评估；在此基础上开发高效的VOCs净化材料、技术，进而研制成套装备，在污染排放的汽车、电子、家具、家电、印刷等重点行业广泛进行技术应用，取得了显著的社会、环境和经济效益；此外还编制了多个相关标准规范，成功打通了从科学认知规律到控制技术研究再到成套设备设计和应用模式的链条，研究成果总体达到国际先进水平。

科研团队选择大风量低浓度工业挥发性有机物污染治理作为课题的研究方向，是我国大气污染治理进程的现实需求，继除尘、脱硫、脱硝工作取得显著进展后，VOCs治理已成为我国大气治理的短板。华南理工大学是国内最早开展VOCs治理的研究机构之一，具有良好的技术和人才储备，2011年获批建设广东省大气环境与污染治理重点实验室，2016年国家发改委批准建设挥发性有机物污染治理技术与装备国家工程实验室，为我国和我省VOCs治理提供重要技术支撑。

华南理工大学“分散收集-移动、集中销毁”新模式及其设备

该项目着眼VOCs治理的难点——工业大风量低浓度有机废气治理，科学分析了现有技术问题，提出要针对VOCs 排放特征不明、治理关键材料性能参差不齐、处理效率低费用高、标准规范缺失等四大问题开展科技攻关，以“污染识别－关键技术－应用模式－防控策略”研究为主线，历时13年，在功能材料、核心装备上突破关键技术，在重点企业、片区和行业中规模化开展大风量、低浓度VOCs废气的工程实践和防控策略研究，取得创新成果。

一是首次提出基于源头追踪法建立我国及广东省长时间序列（1980—2019年）VOCs排放清单，识别出以大风量、低浓度为主要排放特征的工业涂装、包装印刷等重点行业；形成VOCs控制材料、技术和装备综合评价方法，建立分行业VOCs差异化控制技术路线。

二是研制系列高疏水性/大吸附容量的多级孔吸附材料，其中新型活性碳纤维在高湿度下吸附容量达到普通产品的3~4.5倍，风阻降低30%~40%；研制基于晶体缺陷工程制备高性能低负载量催化材料，甲苯90%转化温度低至143℃，突破了大风量低浓度VOCs吸附和催化材料实用性能不足的技术难题。

三是研制出组合式预处理、低阻力吸附与新型蓄热催化（燃烧）等VOCs处理成套装备；建立“分散吸附-移动/集中销毁”整体治理新模式，攻克了大风量低浓度VOCs处理投资成本高、运行费用高的应用瓶颈。

四是构建“排放标准－技术选择－装备应用”全链条的标准体系，为广东与全国重点工业VOCs治理提供技术支持。项目制订标准11项（国家标准2项、行业标准5项和地方标准4项），支撑出台国家政策6项、广东省政策5项；申请专利72件，其中已授权发明专利32件；发表学术论文185篇（中文核心论文89篇、英文论文96篇）；出版专著和科普读物各1本。研究成果获得2011年中国优秀专利奖、2017年全国专利展览金奖。

开创新型治理模式 成果推广应用示范

该项目前期研制了多款高性能材料与设备，如高疏水性/大吸附容量的多级孔吸附材料和高活性/超低负载的催化材料等高效材料，以及低阻力吸附设备与改进蓄热催化（燃烧）高效设备等，项目成果推广至全国，应用案例超过300项，涉及汽车涂装、铝型材、钢结构、电子电器、涂料等。在国内最早提出“分散吸附-移动/集中销毁”模式并在广东贵屿国家循环经济产业园示范应用。成果累计产生直接经济效益达5.2亿元，间接经济效益达100多亿元，减排VOCs达184.75万吨，VOCs治理工程保障了近200家企业的正常生产经营活动。项目团队和相关成果还直接服务于青岛上合峰会等重大活动的空气质量保障工作。

尽管完成了多个应用，证明了该项目具有良好的净化性能，但限于市场上技术差异化大且企业治理意愿普遍存在低价竞争，因此项目成果推广应用难度很大。为此，项目组首先向生态环境主管部门提出建议，通过规范 VOCs治理市场，开展现有VOCs治理技术与治理设备的评估，加强监管力度，淘汰低效技术与设备；其次，根据行业特性，设计标准模块化净化材料与设备，降低投资和运行费用。最重要的是，提出了“分散吸附-移动/集中销毁”新型治理模式，研制标准化的净化设备，在各企业安装标准化的吸附设备；另外，由第三方投资建设移动或者固定式再生设备，对各企业的吸附设备定期进行再生。这种模式可以降低企业投资成本50%以上，降低运行成本30%～50%。

该模式在广东贵屿进行了示范应用，实施了全世界最大的废弃电器电子产品拆解地——汕头市潮阳区贵屿循环经济产业园区某废弃机电产品拆解利用有限公司有机废气治理工程。但因拆解工序中产生含油、重金属及臭味的烟雾废气，导致处理难度大。比如，前期园区建设了8套处理设备，由于缺乏针对性设计，拆解楼周边异味依然明显，附近学校及群众投诉强烈。2015年，园区邀请了3家专业治理公司带资开展示范工程建设，其中包括该项目的“消石灰喷吹+布袋除尘器+吸附床”工艺，工程完成建设并运行后，结果表明该示范工程排放远低于排放标准，采用的工程工艺路线成熟稳定，抗负荷波动能力强，对废气中的各项污染物都能有效控制。园区同意推荐该团队承接拆解电路板有机废气后续治理项目，其后，陆续完成了18套净化设备的设计、施工和运营，工程总投资超过5000万元。

持续研发 探索更全面有效的VOCs治理技术

在此次获奖的“大风量低浓度工业挥发性有机物污染治理策略与关键技术及应用”项目的基础上，科研团队始终不懈致力于发展更新、更有效、更全面的VOCs防控技术路线、控制治理材料以及技术。从该项目结束至今，科研团队在各个方面的研究均取得了一定的突破。

在VOCs排放清单和防控监管路线研究方面，先后开展了“十三五”“十四五”VOCs总量控制与管控路线研究，为我国制定基于环境影响的VOCs控制策略提供科学依据和技术支持。

在创新、创制大吸附容量的VOCs吸附材料方面，研究团队目前从制备方法上进行了创新和改良，在保证大吸附容量的性能下，研发更绿色、更经济、更环保的吸附材料。如，采用生物质废弃物制备高比表面积活性炭，实现碳的高效高值利用。

研究团队在获奖项目基础上继续研发了包括MOFs、氧化锰、贵金属负载型催化剂等系列材料，不仅实现了对甲苯的低温转化，进一步尝试揭示反应机理，对于设计和开发新型催化氧化VOCs催化剂具有科学指导意义。此外，研究团队还研发了吸附储存-原位销毁法，对碳平衡以及CO2选择性有着较大的提高。

在习近平总书记提出实现“碳达峰、碳中和”的战略背景下，研究团队接下来计划以降碳为重点战略方向，推动减污降碳协同增效技术研发，设计各行业的减排路径，分析各行业的排放水平，以期为我国VOCs减排与降碳协调的管控提供技术支撑。

华南理工大学研发的基于晶体缺陷工程理论的低温高活性催化剂

提高自主创新能力 推动科技创新进步

创新是高校教育中的一大挑战，同时也是高校的一种社会责任。高校的创新作用体现在方方面面，既包括对创新课题的研究，更包括对学生的创新教育——培养学生的创新文化、创新思维和创新意识。高校经常研究和探索新的课题和领域，往往会误将课题研究等同于实现创新。但只有将课题和世界科技前沿、经济主战场、国家重大需求、人民生命健康结合起来，联合企业进行孵化，让科研成果转为实际应用、让科研成果实实在在落地、让科研成果应用于社会并产生社会和经济效益，进而提高社会生产力，高校的创新作用和价值才得以真正的体现。例如，项目组与数十家VOCs专业治理公司开展了各种形式的技术合作，其中实现实质性项目合作的超过20家，合作内容涉及技术开发、设备设计、工艺方案设计、工程设计、检验检测等，包括行业内知名的环保公司，如北京雪迪龙科技股份有限公司、河北先河环保科技股份有限公司、聚光科技股份有限公司等，实现从小试、中试和产业化全过程研发，提高自主创新能力。

此外，依托中国环境科学学会挥发性有机物污染防治专业委员会，项目组举办多场大型行业交流会议，分享了我国挥发性有机物污染控制领域的需求、策略、最新成果与前瞻；同时，编写环保科普读物，引导人们树立正确的环境保护观念，积极参与到实际行动中。

广东省作为改革开放前沿大省，近年来为加快提升自主创新能力、建设创新型广东，积极建立健全创新激励机制，完善自主创新政策体系，优化创新政策环境，对我国的科技创新起到了极大的促进作用。特别是在2017年后，国家将打造具有全球影响力的国际科技创新中心确定为粤港澳大湾区建设的战略定位之一，广东省人民政府于2019年发布的“科创12条”更是打开了广东省科技创新的新局面。目前广东省整体创新环境对于科技创新进步的推动作用是十分利好的。

对于进一步加快建设更高水平科技创新强省，华南理工大学建议继续加强科技创新与产业的紧密结合，优化人才协同机制，联合粤港澳大湾各地的政府、高校、科研机构、高新技术企业等形成创新发展智库，最大化地利用创新人才和创新研究成果，最后实现落地，继续推动广东省科技创新进步。