新疆是中國(guó)的棉花主要產(chǎn)區(qū)，這里的棉花產(chǎn)量達(dá)到全國(guó)的90%以上。紡織產(chǎn)業(yè)的原材料雖然唾手可得，但因?yàn)閭鹘y(tǒng)印染工業(yè)存在耗水量大和污水量排放大的劣勢(shì)，水資源緊缺、生態(tài)脆弱的新疆地區(qū)長(zhǎng)期以來(lái)無(wú)法發(fā)展大規(guī)模的印染工業(yè)項(xiàng)目，大量棉花原料只能被送往沿海地區(qū)進(jìn)行染色處理，難以形成從紡織到服裝的全產(chǎn)業(yè)鏈。

在上海工程技術(shù)大學(xué)上海紡織化學(xué)清潔生產(chǎn)工程技術(shù)研究中心，王際平教授領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)開展技術(shù)攻關(guān)，發(fā)展了中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的原創(chuàng)技術(shù)，終于扭轉(zhuǎn)這一局面。他們和相關(guān)企業(yè)合作在新疆阿拉爾市建成一條年產(chǎn)5000 噸散棉染色示范線，自5月試運(yùn)行以來(lái)，在色牢度等產(chǎn)品質(zhì)量不變的情況下，不僅全過程運(yùn)行成本減少了5%~10%，而且生產(chǎn)過程中不會(huì)產(chǎn)生一滴廢水，完全顛覆了人們對(duì)印染工業(yè)高污染性的常規(guī)認(rèn)知。此舉不僅為新疆地區(qū)大規(guī)模發(fā)展印染工業(yè)的計(jì)劃提供了有效解決方案，也成為改變中國(guó)印染行業(yè)發(fā)展的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

如何讓印染工業(yè)實(shí)現(xiàn)低成本清潔化生產(chǎn)？這項(xiàng)原創(chuàng)技術(shù)有哪些特點(diǎn)？帶著這些問題，日前記者來(lái)到了上海工程技術(shù)大學(xué)。

傳統(tǒng)印染工業(yè)為什么“不受歡迎”？

1982年，王際平進(jìn)入原中國(guó)紡織大學(xué)（現(xiàn)為上海東華大學(xué)）紡織化學(xué)系開始了碩士研究生階段的學(xué)習(xí)。畢業(yè)后，他留校任教。20世紀(jì)80年代末，王際平也加入了出國(guó)熱潮，1994年他獲美國(guó)德州大學(xué)阿靈頓校區(qū)有機(jī)及高分子化學(xué)博士，后入職美國(guó)寶潔公司，并在2005年開始擔(dān)任寶潔全球紡織及工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)部門首席科學(xué)家。2011年，為了實(shí)現(xiàn)自己的科研理想，王際平回國(guó)工作。2019年，他進(jìn)入上海工程技術(shù)大學(xué)紡織服裝學(xué)院，創(chuàng)建上海紡織化學(xué)清潔生產(chǎn)工程技術(shù)研究中心，繼續(xù)開展基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究工作。

“中國(guó)的紡織服裝行業(yè)是全球的民生支撐產(chǎn)業(yè)，規(guī)模高達(dá)10萬(wàn)億元。印染工業(yè)是其中必不可少的部分，其產(chǎn)業(yè)規(guī)模高達(dá)萬(wàn)億元。我們不可能只穿白色的衣服，顏色是必備選擇，但因?yàn)橛∪竟I(yè)存在大量排放污水的情況，所以很多地方政府都對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格管控。為了保護(hù)環(huán)境，有些地區(qū)甚至還會(huì)責(zé)令一些排污數(shù)量比較大的印染企業(yè)關(guān)停并轉(zhuǎn)，進(jìn)行工業(yè)用地的‘騰籠換鳥’，在原有土地上引入比較環(huán)保的高科技企業(yè)。”王際平說(shuō)。

為什么印染工業(yè)會(huì)出現(xiàn)大量的污水排放？

王際平拿著一塊紅色的棉布解釋道：“中國(guó)棉纖維有70%需要進(jìn)行染色，滌綸纖維有50%需要染色，目前承擔(dān)棉纖維染色任務(wù)的主要是‘活性染料’。活性染料又稱反應(yīng)性染料，是20世紀(jì)50 年代出現(xiàn)的一類新型水溶性染料。活性染料分子能與棉纖維素中的羥基和蛋白質(zhì)纖維中的氨基發(fā)生反應(yīng)，生成共價(jià)鍵。活性染料具有顏色鮮艷、勻染性好、色牢度高、色譜齊全、成本較低等特點(diǎn)，但活性染料的一大問題就是染料利用率低，耗水和耗鹽類化合物用量高。因此，含有高鹽、高有機(jī)物的染色水污染就此產(chǎn)生。”

王際平進(jìn)一步解釋說(shuō)，事實(shí)上，活性染料和棉纖維兩種材料在水里放置在一起是“互斥關(guān)系”，其都攜帶了大量的陰離子。雖然棉纖維在水的幫助下，纖維會(huì)膨脹起來(lái)，便于染料進(jìn)入，但活性染料還是更加“鐘情”于水。這時(shí)候就需要硫酸鈉這種鹽類化合物來(lái)“幫助”，用以中和染料和纖維的陰離子，讓染料“乖乖”地“走進(jìn)”纖維內(nèi)部。這種工藝耗水量和耗鹽量是巨大的。他向記者算了一筆經(jīng)濟(jì)賬：“完成1噸棉纖維的染色（深色），需要100噸水和1噸左右的硫酸鈉，一般活性染料在水浴中的染色效率為60%~70%。當(dāng)完成染色后，還需要進(jìn)行大量水洗以保證合格的產(chǎn)品色牢度，100噸的廢水由此產(chǎn)生，需要后端處理和排放。廢水中的污染物包括水解后的活性染料、大量的硫酸鈉，以及棉纖維上的各種有機(jī)物等雜質(zhì)。”

干洗“串色”引發(fā)的靈感

“染色”能不能在不用大量水、不用鹽的情況下完成呢？

2002年，在美國(guó)寶潔公司工作期間，一次偶然的工作經(jīng)歷給了王際平靈感，當(dāng)時(shí)他在負(fù)責(zé)一個(gè)環(huán)保型干洗技術(shù)的開發(fā)。干洗的好處是各種顏色的衣服可以一起洗，不會(huì)出現(xiàn)串色現(xiàn)象；但是王際平發(fā)現(xiàn)，如果在干洗溶劑中混入少量水分，就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重串色情況，甚至比水洗串色的情況還要嚴(yán)重。

具有紡織染整學(xué)科背景的王際平心里突然“咯噔”一下，他本能地意識(shí)到，這可能是一個(gè)全新的紡織品染色技術(shù)路徑。由于寶潔公司的主要業(yè)務(wù)集中在洗滌方面，對(duì)紡織品染色技術(shù)鮮少涉足，所以王際平就委托浙江理工大學(xué)工作的大學(xué)同學(xué)，開始進(jìn)行非水介質(zhì)少水染色的基礎(chǔ)研究工作。2011年，王際平放棄國(guó)外優(yōu)厚的待遇，毅然回國(guó)開展研究工作，他在浙江理工大學(xué)完成了實(shí)驗(yàn)室到中試技術(shù)可行性研究工作，并帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)參加了當(dāng)?shù)氐膭?chuàng)業(yè)大賽。他們的創(chuàng)業(yè)計(jì)劃榮獲海寧市第二屆“潮起東方·贏在海寧”創(chuàng)業(yè)大賽一等獎(jiǎng)，之后又榮獲第七屆中國(guó)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽優(yōu)勝獎(jiǎng)。他領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)于2014年成立了浙江綠宇紡織科技有限公司，開始了科技成果產(chǎn)業(yè)化的探索。

2019年，王際平來(lái)到上海工程技術(shù)大學(xué)繼續(xù)研發(fā)工作。正在建設(shè)全球科創(chuàng)中心的上海擁抱了這位海歸學(xué)子，給了他更加高效的科研平臺(tái)和更加廣闊的產(chǎn)學(xué)研對(duì)接的發(fā)展機(jī)會(huì)。

當(dāng)時(shí)，新疆建設(shè)兵團(tuán)一位司令員專程找到王際平，希望他能幫助解決當(dāng)?shù)馗啕}染色污水的排放問題，使得大規(guī)模棉紡織品染色成為可能，為打通新疆的紡織服裝全產(chǎn)業(yè)鏈提供技術(shù)解決方案，同時(shí)幫助解決當(dāng)?shù)鼐蜆I(yè)難的問題。

在上海工程技術(shù)大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)班子的大力支持下，王際平帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開始了科技援疆之旅。

圖為新疆基地開工典禮

在大漠深處攻克棉纖維“污水零排放染色”的重大難題

背上行囊，王際平帶領(lǐng)自己的團(tuán)隊(duì)來(lái)到了大漠深處。一家不產(chǎn)生廢水的染色工廠在他們的努力下成功誕生。

“這是一套全新的技術(shù)路徑，最大的特點(diǎn)就是不用鹽類化合物，不產(chǎn)生廢水且染料利用率特別高。”王際平講述起 “非水介質(zhì)少水無(wú)鹽，污水零排放染色”的工作原理。

事實(shí)上，干洗的原理相當(dāng)于化學(xué)上的“萃取”原理，這是一種以液態(tài)的有機(jī)化學(xué)溶劑（如四氯乙烯、碳?xì)淙軇┑龋?duì)衣物進(jìn)行洗滌，以此去除油污或污漬的一種洗滌方式。

“我們的方法是在干洗溶劑中加入少量的水和需要的活性染料。染料不會(huì)溶解到疏水的干洗溶劑中，只會(huì)溶解到少量的水滴中，在專業(yè)設(shè)計(jì)的染色裝備中，溶解了染料的水滴會(huì)隨著非水介質(zhì)和棉纖維進(jìn)行均勻接觸。要知道棉纖維是一種親水的纖維，它們特別‘喜歡’帶上染料的‘水滴’，會(huì)在染色過程中逐漸抓住染料，完成和染料的反應(yīng)，染料的利用率可以高達(dá)90%以上。在這個(gè)技術(shù)路徑中，染色全過程不需要加入鹽類化合物硫酸鈉，利用水滴和纖維的親和力就可以完成染色。”王際平說(shuō)。

非水介質(zhì)和水的回用過程也是十分與眾不同的。王際平說(shuō)，染色結(jié)束以后，還要加入少量水對(duì)棉纖維進(jìn)行清洗，然后就是非水介質(zhì)和水殘液的處理工藝。第一步是油水分離，參與的干洗溶劑類染色介質(zhì)是疏水性的，很容易和帶有染料的水進(jìn)行分離。第二道關(guān)是設(shè)置納米濾膜，擋住水洗下來(lái)的棉纖維上帶來(lái)的有機(jī)物和水解染料，讓帶有硫酸鈉的水分子通過。第三道關(guān)就是設(shè)置反滲透膜，可以分離硫酸納這種鹽化合物和水分子。最后很少量的“濃縮廢水”進(jìn)入蒸餾模式，成為少量固廢物質(zhì)和一部分干凈衛(wèi)生的蒸餾水。

印染工業(yè)百年來(lái)存在的巨量廢水問題，被王際平輕松化解。他說(shuō)：“別人染1噸棉纖維，需要用100噸水；而我們只用0.25噸水，染色時(shí)間減少20%。染色全過程一滴廢水都不會(huì)產(chǎn)生，最后產(chǎn)生的固廢可以被焚燒或填埋，還可以做肥料和磚，產(chǎn)生的回收水可以在下次染色中使用。由于染色過程需要蒸汽加熱，產(chǎn)生冷凝水，我們工廠不僅不需要使用大量的水，而且會(huì)產(chǎn)生一些多余的蒸餾水用于澆花。”

那一刻，新疆紡織領(lǐng)域的同行們由衷地對(duì)他豎起了大拇指。過去大量的染色后廢水被直接排到沙漠深處，自從國(guó)家節(jié)能減排的政策發(fā)布后，當(dāng)?shù)氐挠∪竟I(yè)就被按下了暫停鍵，因?yàn)闊o(wú)論從用水量和排污量角度看都已無(wú)法“走通”；而王際平團(tuán)隊(duì)硬是把高污染生產(chǎn)過程變成了“清潔生產(chǎn)”工作模式。整體技術(shù)路線完成后，相比較傳統(tǒng)路線，還可以節(jié)約5%~10%的生產(chǎn)成本。

獨(dú)辟蹊徑，找到滌綸纖維“無(wú)水染色”技術(shù)新路線

在中國(guó)的紡織行業(yè)中，有兩大纖維：一是棉纖維，二是使用量更大的滌綸纖維。數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)的滌綸纖維使用量占到所有紡織纖維材料的70%左右。

傳統(tǒng)的滌綸纖維染色耗水量也是驚人的，完成1噸滌綸纖維的染色需要40噸左右水。王際平介紹說(shuō)，滌綸纖維染色和棉纖維染色的原理不一樣。滌綸纖維是疏水性的，其在水里幾乎不出現(xiàn)溶脹現(xiàn)象，用于棉纖維染色的活性染料無(wú)法滲透進(jìn)去。所以傳統(tǒng)技術(shù)路線一般會(huì)將染色溫度設(shè)置在130攝氏度左右，在這個(gè)溫度下，滌綸纖維會(huì)出現(xiàn)熱膨脹，不溶解于水的分散染料以顆粒態(tài)的形式存在，此時(shí)分散染料會(huì)“跑入”滌綸纖維內(nèi)部。當(dāng)溫度下降時(shí)，纖維膨脹結(jié)束，會(huì)把染料顆粒包裹在纖維內(nèi)部。但是，此時(shí)滌綸纖維上還有很多表面染料的留存，需要用大量的水進(jìn)行沖洗。因?yàn)橹袊?guó)紡織產(chǎn)業(yè)滌綸纖維的使用量大大高于棉纖維，因此在染色后排污量方面，滌綸纖維染色大大超越了棉纖維染色。

事實(shí)上，很多科學(xué)家都想突破滌綸染色的傳統(tǒng)工藝，制定出一條清潔環(huán)保的工藝路線。1989年，德國(guó)西北紡織研究中心E.Schollmeyer發(fā)明了超臨界二氧化碳染色的工藝。任何一種氣體，在臨界壓力和臨界溫度下，都會(huì)變成流體，這種流體具有十分獨(dú)特的物理性質(zhì)，它的黏度低、密度大，有良好的流動(dòng)、傳質(zhì)、傳熱和溶解性能。德國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)在超臨界二氧化碳中，分散染料會(huì)被二氧化碳流體全面溶解，輕松完成無(wú)水染色的工藝。該技術(shù)還被列為中國(guó)“八五”期間及以后的科技攻關(guān)項(xiàng)目。

“但要完成超臨界二氧化碳染色的工藝，設(shè)備要求非常高。如果要維持傳統(tǒng)130攝氏度的滌綸染色溫度，從理論上看需要打造一個(gè)能承受250個(gè)大氣壓的特殊設(shè)備，不僅設(shè)備價(jià)格昂貴，而且染色過程具有較高的安全隱患。中國(guó)企業(yè)曾經(jīng)從瑞士引入相關(guān)制造設(shè)備，但是發(fā)現(xiàn)染色工藝很難控制，染色質(zhì)量也很難保證，所以目前都沒有投入實(shí)際生產(chǎn)。國(guó)內(nèi)目前已有相關(guān)公司可以生產(chǎn)超臨界二氧化碳染缸，雖然價(jià)格低于國(guó)外產(chǎn)品，但還是大大高于傳統(tǒng)染缸。超臨界二氧化碳染色具備很好的‘實(shí)驗(yàn)室’染色理論，但由于其難以逾越的超高壓特性無(wú)法成為一種適用于大規(guī)模染色的技術(shù)。”王際平解釋說(shuō)。

繼續(xù)沿著“干洗染色”的思維去摸索實(shí)踐，王際平團(tuán)隊(duì)獨(dú)辟蹊徑找到了一種新型介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了低成本的滌綸纖維低壓無(wú)水染色工藝。他告訴記者，這是一種能確保人體安全的有機(jī)溶劑介質(zhì)，其沸點(diǎn)是200攝氏度左右，可溶解一部分分散染料。該混合體內(nèi)部有溶劑、染料的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)和分子態(tài)結(jié)構(gòu)，在接近常壓的條件下，就可以完成高質(zhì)量的無(wú)水染色，染料使用效率高達(dá)90%以上。殘留在纖維上的染料同樣可以用這種有機(jī)溶劑進(jìn)行清洗，溶劑介質(zhì)可以被高效回收循環(huán)使用。染色、清洗結(jié)束后，只要將滌綸纖維在密閉環(huán)境下烘干就完成了染色過程，整個(gè)工藝不會(huì)產(chǎn)生一滴污水。

使用該工藝路線的第一個(gè)生產(chǎn)基地已經(jīng)在杭州附近建設(shè)完成，整個(gè)生產(chǎn)基地不需要建污水處理站，不需要政府給予排污指標(biāo)。

“我們現(xiàn)在還在研究一種人工智能操作模式，使用我們研制的專用液體染料和染料助劑配送系統(tǒng)，工人在控制室里就可以輕松制定染色配方，只要一按鍵，就能自動(dòng)完成低成本無(wú)水染色過程。”王際平說(shuō)。

未來(lái)要力爭(zhēng)摘掉染色產(chǎn)業(yè)“污染帽子”

目前，上海紡織化學(xué)清潔生產(chǎn)工程技術(shù)研究中心已經(jīng)全面攻克了親水纖維和疏水纖維的污水零排放染色工藝，兩種工藝可以覆蓋幾乎所有纖維的染色過程，后續(xù)的研究工作還在開展中。

“染色有不同的方法，可以在前端進(jìn)行纖維染色，然后再紡紗織布，也可以在后端染紗和染布。當(dāng)然前端染色的色牢度要高于后端染色，產(chǎn)品靈活度更高。”王際平解釋說(shuō)。

王際平的科研團(tuán)隊(duì)在棉布的非水介質(zhì)軋染上也實(shí)現(xiàn)了突破。團(tuán)隊(duì)在浙江省蕭山區(qū)的相關(guān)企業(yè)開展產(chǎn)學(xué)研攻關(guān)，最終完成了整個(gè)工藝建設(shè)，“染1噸棉布，只需要7噸水，同時(shí)可以回收這些水，不產(chǎn)生廢水排放問題，只會(huì)殘留一些低污染性的固廢。”王際平透露，目前團(tuán)隊(duì)正在江蘇南通幫助相關(guān)企業(yè)建設(shè)棉布“非水介質(zhì)軋染技術(shù)”大規(guī)模生產(chǎn)線。

對(duì)于滌綸布料的無(wú)水染色技術(shù)，團(tuán)隊(duì)還在繼續(xù)攻關(guān)中，爭(zhēng)取在不久的將來(lái)能夠攻克這一生產(chǎn)難題，繼續(xù)拓展低壓無(wú)水染色的工藝邊界。

王際平表示，自己最大的心愿是摘掉中國(guó)印染工業(yè)的高污染的“帽子”，對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)進(jìn)行技術(shù)升級(jí)和替代。

“傳統(tǒng)印染工業(yè)水資源消耗嚴(yán)重、污水排放量大且處理難度高。10多年前，相關(guān)部門制定排污指標(biāo)，符合當(dāng)時(shí)的節(jié)能減排需要，也確實(shí)改善了環(huán)境。但是，目前已經(jīng)到了技術(shù)全面升級(jí)的時(shí)代，綠色低碳無(wú)鹽非水介質(zhì)/無(wú)水染色、污水零排放關(guān)鍵技術(shù)經(jīng)過十六載的研發(fā)，已經(jīng)充分驗(yàn)證了大規(guī)模推廣的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)可行性。我們的目標(biāo)已不再是單純減排了，而是要將整個(gè)行業(yè)升級(jí)為能實(shí)現(xiàn)污水零排放的清潔行業(yè)。清潔生產(chǎn)、可持續(xù)創(chuàng)新是中國(guó)印染工業(yè)發(fā)展必經(jīng)之路，這項(xiàng)全新的印染技術(shù)可就近為紡織生產(chǎn)區(qū)域帶來(lái)高附加值的經(jīng)濟(jì)效益。”王際平說(shuō)。

但目前技術(shù)的推廣似乎遭遇了壁壘。“在國(guó)家產(chǎn)業(yè)目錄中，傳統(tǒng)印染工業(yè)由于其高污染、高能耗的問題被列為‘受限’產(chǎn)業(yè)。雖然綠色低碳無(wú)鹽非水介質(zhì)/無(wú)水染色、污水零排放技術(shù)可為行業(yè)提供系統(tǒng)解決方案，但是政策的限制阻礙了創(chuàng)新技術(shù)的推廣。”王際平呼吁國(guó)家相關(guān)部門為紡織印染企業(yè)開辟一條生態(tài)創(chuàng)新發(fā)展的發(fā)展道路，“只要企業(yè)能不排污水，不要污水指標(biāo)，相關(guān)部門就應(yīng)在產(chǎn)業(yè)定位、環(huán)評(píng)、能評(píng)、資金等方面對(duì)印染企業(yè)予以鼓勵(lì)和支持。我們也盼望著該技術(shù)能為中國(guó)紡織服裝產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展作出貢獻(xiàn)。”