化工新材料產業對低碳發展的影響

黃俊杰(濟南大學，山東 濟南 250024)

0 引言

全世界范圍內的二氧化碳排放量最近50年來出現了逐年增加的趨勢，2020年全世界范圍內的二氧化碳排放量為323億噸，所以讓碳排放減少已成為了現階段必須解決的一個問題[1]。而在低碳發展進程中，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產業對低碳發展的影響，希望能為煉化行業的進一步發展提供參考。

1 新材料產業的現狀分析

新材料具體是指正在發展或者新進發展的性質特殊的功能材料及性能優異的結構材料，其品種繁多，從結構組成上可以將其分為先進復合材料、有機高分子材料、無機非金屬材料、金屬材料等[2]。在新材料中，化工新材料則是非常重要的組成部分之一，是整個化學工業中極具發展潛力和活力的新材料。在我國的經濟發展中，化工新材料的作用越來越突出，其應用范圍也越來越廣泛，無論是在交通運輸方面、新能源方面、醫療衛生方面，還是在航空航天、電子信息以及國防軍工等方面，化工新材料的應用均非常廣泛[3]。

2 化工新材料產業對低碳發展的影響

2.1 可再生原料

(1)通過生物質原料進行新材料的生產。我國具有豐富的生物質資源，如：城市生活垃圾、農林業廢棄物等。每年我國可利用的全部生物質資源中，大約有4億噸為農業廢棄物，另外林業廢棄物也有大約3.5億噸。光合作用為生物質原料的主要來源，是實現碳匯、對自然界二氧化碳進行吸收的有效途徑之一[4]。植物生長期間，利用光合作用，每年轉化成碳水化合物的二氧化碳大約有2 000億噸，所以，生物質材料是一種低碳材料，其二氧化碳排放量非常低，大約為石化基塑料的1/5[5]。不僅生產生物質產品的過程能明顯減少碳排放量，在使用期間也能有效減少碳排放量，通過不斷增加生物質產品的占比，減排優勢也會更加突出[6]?，F階段，在儲能碳材料、綠色建材、生態農業及環境修復、能源等領域，生物質原料得到了廣泛應用。在制備碳材料時，選擇生物質材料，將傳統的電池石墨電極所取代，能讓儲能性能明顯提高；在綠色建材方面，新型纖維板、秸稈復合墻板、木塑復合材料等發展現已比較成熟；在生態農業及環境修復方面，生物炭直接還田、生物質可降解地膜等技術現階段已接近實用化，已得到了小規模的推廣；在生物航空燃料、生物乙醇、生物柴油等能源方面，生物質原料現階段已實現了規?；瘧?，而生物質原料的碳減排效果也得到了肯定。今后在進行化工新材料的生產時，生物質將是非常重要的一項原料來源。

(2)以二氧化碳為原料生產新材料。①二氧化碳熱化學轉化：在二氧化碳的化工利用途徑中，氫氣在合成甲醛的過程中具有非常重要的作用，原料選擇“綠氫”，該原料則是利用可再生電力電解水所制作而成的，成為了甲醇合成的一個新途徑，因為對環境的友好性更加理想，所以受到了行業的關注；環氧乙烷和二氧

化碳共聚能進行碳酸乙烯酯的合成，環氧丙烷與二氧化碳共聚則能進行碳酸丙烯酯的合成，而碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯能生產高分子共聚生物材料、全生物降解材料、二氧化碳基阻燃保溫材料、聚碳酸亞丙酯基水性聚氨酯、聚碳酸亞丙脂多元醇[7]。綜上分析發現，二氧化碳和環氧乙烷、環氧丙烷等反應制備可降解塑料、聚碳酸酯等新材料，是將來二氧化碳應用的一個熱點領域。②二氧化碳電化學還原：現階段常常采用熱化學還原法、電化學還原法、光化學還原法以及光電催化還原法等來對二氧化碳進行轉化、利用。和其他轉化利用技術相比較，電化學還原技術具有比較顯著的優勢，例如能通過對電解條件進行控制來對目標產物進行調控，能合成不同的含碳化合物、具有較高的催化效率，能采用清潔能源，反應條件相對溫和。就算運行溫度較低，也能實現電催化還原二氧化碳的整個過程，獲得碳氫化合物、含氧化合物的方法比較簡單，作為減排方案的一種，其吸引力非常巨大[8]。通過高效電化學反應器構型、增加二氧化碳壓力、采用高活性電催化材料等措施，能讓電化學的還原效率明顯提高。

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、碳納米管以及碳纖維等。利用煤炭、石油、天然氣能生產獲得碳材料，而利用生物質原料也能產生獲得碳材料。對于碳材料來講，其成分主要為碳元素，在轉化化石原料期間，有些碳會轉移到碳材料當中，能對化石原料中的碳去向問題進行有效解決，為全產業鏈提供支撐，讓碳排放減少。改性瀝青屬于高等級道路瀝青之一，在基質瀝青當中加入各種添加劑，如：磨細橡膠粉、天然瀝青、高分子聚合物、樹脂等，進而提升產品性能，其固碳量大約為85%。在進行高端炭石墨材料的制備時，中間相瀝青作為前驅體，不但具有高模量的優點，而且其高導熱的優勢也比較突出，可以將其作為制備瀝青碳纖維的原料，無論是在航天航空方面，還是在尖端工業方面，其都具有比較理想的應用前景。石油焦的固碳量大約為90%，其作為廉價、優質的碳源，可用于制備附加值較高的新材料，現階段在電池負極材料、智能材料、先進復合材料、納米碳化鎢材料等領域中，其應用前景非常廣泛[9]。

(2)車用輕量化材料。選擇輕量化材料不但能讓汽車的動力性明顯提高，而且能降低排放、實現節能；相關研究發現，通過減輕汽車自重，能起到明顯的省油效果，進而讓二氧化碳排放量明顯減少。常用的汽車輕量化材料有玻璃纖維復合材料、碳纖維復合材料、工程塑料、合成樹脂復合材料、鋁鎂合金以及高強度鋼等。而現階段主要的發展方向則是“以塑代鋼”?，F階段我國的車用塑料消費量從整體上表現出不斷增長的趨勢，在減少二氧化碳排放、降低油耗、實現車體輕量化、“以塑代鋼”等方面，這類材料具有非常重要的作用。

(3)新能源材料。①光伏材料：該材料能將太陽能直接轉換成電能；太陽能電池板的組成一共為5層材料，分別為背板、乙烯與醋酸乙烯酯的共聚物(EVA)、太陽能電池片、EVA、光伏玻璃。電池片一般選擇半導體材料，如：非晶硅、多晶硅、單晶硅等。EVA是對電池片進行封裝的一種熱熔膠黏劑，能充分粘結背板、鋼化玻璃與電池片，提升電性能的輸出。光伏裝置背板材料一般選擇聚氟乙烯復合膜材料，其耐老化性、阻水性、絕緣性均比較理想，能有效支撐和保護電池片[10]。②風電材料：分析整個風電產業發現，其上游材料包括了葉片、電纜、主軸、機艙罩、風機、塔筒，而風電機組在將風能向機械能轉化時，風電葉片則是一個核心的關鍵部件，在整個風力發電系統成本中，其成本占比大約為2/10～3/10。從結構方面分析，風電葉片的組成包括了表面涂料、基體材料、夾芯材料、增強材料以及結構膠。

(4)碳捕集材料。為了“雙碳”目標能有效實現，相關行業也開始更加關注二氧化碳的捕集基礎，而捕集材料的研究和開發也受到了更多關注。從煙道氣中對二氧化碳進行捕集的常用方法包括固體吸附法、低溫冷凝法、膜分離法、吸收法，現階段使用最成熟、最廣泛的捕集火電廠排放二氧化碳的技術就是固體吸附劑吸附二氧化碳，該技術不僅成本低、材料穩定性理想，而且回收率高、吸附量大、吸附溫度范圍寬?，F階段的吸附材料包括負載氨基材料、類水滑石類吸附材料、金屬氧化物及其鹽、金屬有機骨架材料、沸石、炭基材料等。

2.3 廢棄材料的回收及循環利用

(1)化學回收廢棄材料。在努力實現節約資源、減少排放的這一過程中，對廢棄材料進行回收和再利用是非常重要的一項措施。例如廢塑料，可通過化學方法、物理方法來對其進行回收再生。如果廢塑料較為干凈，品類單一、價值高，則可以采用物理方法，然而回收產物卻無法有效滿足醫藥、食品等領域的要求。如果廢塑料受污染、價值低，則可以選擇化學方法進行回收再生。

(2)化學回收廢塑料的減碳效果。采用化學方法對廢塑料進行回收再利用，這種措施的減碳作用尤為突出，在產品中對碳進行固化處理，進而讓碳排放明顯減少。和焚燒處置相比較，采用化學回收處置廢塑料，能讓碳排放減少大約50%。

3 發展化工新材料產業的措施

3.1 加強煉化轉型升級，轉變煉油行業，促進行業的高質量發展

應不斷轉變和調整煉油行業，實現煉化的轉型升級，讓整個行業能實現高質量的發展。我國的成品油消費現階段表現出趨緩的特點，但是整個市場對新材料的消費需求卻比較旺盛，增加下游化工新材料和化工原料的產量，減少油品的產量，不僅是促進煉化行業轉型升級的趨勢，而且也是促進高質量發展的趨勢。

3.2 加強科技創新

在市場消費需求不斷增加以及產業政策的大力支持下，最近幾年我國的新材料無論是在年均增速方面，還是在產量、產能方面，均處于全球前列，然而從整體上進行分析發現，在世界的產業價值鏈當中，我國的化工新材料則處在中低端，現有產品無論是附加值還是技術含量，均比較低，和發達國家存在明顯差距，有些新材料因為具有較高的技術門檻，產品的更新換代和技術研發速度比較緩慢，所以對這些材料具有較高的對外依存度。應重視試驗基地的建設工作，積極開展試驗研究，加大投入力度，對于核心技術應真正地實現自主掌握，并積極應用到工業化的生產活動中，滿足生產需求，讓我國能在化工新材料領域中實現高水平科技的自強和自立。除此之外，應對落后產能進行淘汰，對產業結構進行不斷優化和調整。

3.3 加強協同創新

新材料產業不僅具有明顯的基礎性特點，其戰略性特點也非常突出，國家層面的競爭也越來越突出。分析我國化工新材料市場的現狀發現，現階段的消費需求正表現為不斷增加的趨勢，同時國家也針對新材料產業制定一系列的激勵政策，社會各界也開始更加重視化工新材料，各個省市也針對化工產業的發展頒發出臺了各種規劃，開始重點發展化工新材料。國內無論是石油石化企業，還是科研院所，也開始進行積極布局，加大投入重點研發化工新材料；在國內的化工新材料市場中，國際化工公司以及石油巨頭也越來越多，新材料也成為了了新建大型石化項目的主要產品線，項目的運營主體也表現出明顯的多樣化局面。國家相關部門應加強規劃設計，將大型的石油石化企業當成是創新的重要戰場，將國家級的新材料科研項目當成重點，讓生產運營、創新投入的主體作用得以充分發揮，相關科研院所及高等院校共同參與，促進產學研用的協同創新和深度融合，對石化企業的產業鏈短板進行有效彌補，促進科技成果的有效轉化。

3.4 加強人才的培養和引進

從化工產業鏈進行分析法案，化工新材料還處在末端，大企業在過往并沒有過多的涉足化工新材料，缺乏高層次的人才，缺乏創新能力，進而對業務發展造成直接影響。對國家相關部門來講，應超前布局，針對培養和引進高端人才制定科學的措施，并出臺相關的政策文件，積極引進海外人才，尤其是專業性的戰略領軍人才，讓人才短缺的現象得以有效解決。從企業方面分析，則應積極招聘和錄用新材料科技人才，對現階段的人才隊伍應認真做好培養工作，將科研項目當成人才培養的載體，讓科技創新機制、體制得以充分激發，簡政放權、組建團隊，對人才待遇進行合理調整和提升，讓其創新活力得以充分激發，促進科研成果的有效轉化，使煉化行業有效實現轉型和升級。

4 結語

減少二氧化碳排放、實現碳中和目標進程中，化工新材料具有非常重要的作用；針對我國化工新材料市場今后的需求態勢，應在技術研發方面加大投入，突破技術瓶頸，讓自主產品能實現產業化進程，讓我國經濟發展的實際需求得以充分滿足，以促進社會經濟實現高質量的綠色低碳發展。