新疆是中國的棉花主要產(chǎn)區(qū)，這里的棉花產(chǎn)量達到全國的90%以上。紡織產(chǎn)業(yè)的原材料雖然唾手可得，但因為傳統(tǒng)印染工業(yè)存在耗水量大和污水量排放大的劣勢，水資源緊缺、生態(tài)脆弱的新疆地區(qū)長期以來無法發(fā)展大規(guī)模的印染工業(yè)項目，大量棉花原料只能被送往沿海地區(qū)進行染色處理，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)大學上海紡織化學清潔生產(chǎn)工程技術(shù)研究中心，王際平教授領銜的科研團隊開展技術(shù)攻關，發(fā)展了中國自主知識產(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月試運行以來，在色牢度等產(chǎn)品質(zhì)量不變的情況下，不僅全過程運行成本減少了5%~10%，而且生產(chǎn)過程中不會產(chǎn)生一滴廢水，完全顛覆了人們對印染工業(yè)高污染性的常規(guī)認知。此舉不僅為新疆地區(qū)大規(guī)模發(fā)展印染工業(yè)的計劃提供了有效解決方案，也成為改變中國印染行業(yè)發(fā)展的一個轉(zhuǎn)折點。

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

傳統(tǒng)印染工業(yè)為什么“不受歡迎”？

1982年，王際平進入原中國紡織大學（現(xiàn)為上海東華大學）紡織化學系開始了碩士研究生階段的學習。畢業(yè)后，他留校任教。20世紀80年代末，王際平也加入了出國熱潮，1994年他獲美國德州大學阿靈頓校區(qū)有機及高分子化學博士，后入職美國寶潔公司，并在2005年開始擔任寶潔全球紡織及工業(yè)標準部門首席科學家。2011年，為了實現(xiàn)自己的科研理想，王際平回國工作。2019年，他進入上海工程技術(shù)大學紡織服裝學院，創(chuàng)建上海紡織化學清潔生產(chǎn)工程技術(shù)研究中心，繼續(xù)開展基礎研究和應用研究工作。

“中國的紡織服裝行業(yè)是全球的民生支撐產(chǎn)業(yè)，規(guī)模高達10萬億元。印染工業(yè)是其中必不可少的部分，其產(chǎn)業(yè)規(guī)模高達萬億元。我們不可能只穿白色的衣服，顏色是必備選擇，但因為印染工業(yè)存在大量排放污水的情況，所以很多地方政府都對其進行嚴格管控。為了保護環(huán)境，有些地區(qū)甚至還會責令一些排污數(shù)量比較大的印染企業(yè)關停并轉(zhuǎn)，進行工業(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。

為什么印染工業(yè)會出現(xiàn)大量的污水排放？

王際平拿著一塊紅色的棉布解釋道：“中國棉纖維有70%需要進行染色，滌綸纖維有50%需要染色，目前承擔棉纖維染色任務的主要是‘活性染料’。活性染料又稱反應性染料，是20世紀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，生成共價鍵。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，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、高有機物的染色水污染就此產(chǎn)生。”

王際平進一步解釋說，事實上，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，纖維會膨脹起來，便于染料進入，但活性染料還是更加“鐘情”于水。這時候就需要硫酸鈉這種鹽類化合物來“幫助”，用以中和染料和纖維的陰離子，讓染料“乖乖”地“走進”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%。當完成染色后，還需要進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，當時他在負責一個環(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，就會出現(xiàn)嚴重串色情況，甚至比水洗串色的情況還要嚴重。

具有紡織染整學科背景的王際平心里突然“咯噔”一下，他本能地意識到，這可能是一個全新的紡織品染色技術(shù)路徑。由于寶潔公司的主要業(yè)務集中在洗滌方面，對紡織品染色技術(shù)鮮少涉足，所以王際平就委托浙江理工大學工作的大學同學，開始進行非水介質(zhì)少水染色的基礎研究工作。2011年，王際平放棄國外優(yōu)厚的待遇，毅然回國開展研究工作，他在浙江理工大學完成了實驗室到中試技術(shù)可行性研究工作，并帶領團隊參加了當?shù)氐膭?chuàng)業(yè)大賽。他們的創(chuàng)業(yè)計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，之后又榮獲第七屆中國創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽優(yōu)勝獎。他領銜的團隊于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，王際平來到上海工程技術(shù)大學繼續(xù)研發(fā)工作。正在建設全球科創(chuàng)中心的上海擁抱了這位海歸學子，給了他更加高效的科研平臺和更加廣闊的產(chǎn)學研對接的發(fā)展機會。

當時，新疆建設兵團一位司令員專程找到王際平，希望他能幫助解決當?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，同時幫助解決當?shù)鼐蜆I(yè)難的問題。

在上海工程技術(shù)大學領導班子的大力支持下，王際平帶領團隊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，王際平帶領自己的團隊來到了大漠深處。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)少水無鹽，污水零排放染色”的工作原理。

事實上，干洗的原理相當于化學上的“萃取”原理，這是一種以液態(tài)的有機化學溶劑（如四氯乙烯、碳氫溶劑等）對衣物進行洗滌，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。染料不會溶解到疏水的干洗溶劑中，只會溶解到少量的水滴中，在專業(yè)設計的染色裝備中，溶解了染料的水滴會隨著非水介質(zhì)和棉纖維進行均勻接觸。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’，會在染色過程中逐漸抓住染料，完成和染料的反應，染料的利用率可以高達90%以上。在這個技術(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。

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，染色結(jié)束以后，還要加入少量水對棉纖維進行清洗，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行分離。第二道關是設置納米濾膜，擋住水洗下來的棉纖維上帶來的有機物和水解染料，讓帶有硫酸鈉的水分子通過。第三道關就是設置反滲透膜，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)百年來存在的巨量廢水問題，被王際平輕松化解。他說：“別人染1噸棉纖維，需要用100噸水；而我們只用0.25噸水，染色時間減少20%。染色全過程一滴廢水都不會產(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，而且會產(chǎn)生一些多余的蒸餾水用于澆花。”

那一刻，新疆紡織領域的同行們由衷地對他豎起了大拇指。過去大量的染色后廢水被直接排到沙漠深處，自從國家節(jié)能減排的政策發(fā)布后，當?shù)氐挠∪竟I(yè)就被按下了暫停鍵，因為無論從用水量和排污量角度看都已無法“走通”；而王際平團隊硬是把高污染生產(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。

獨辟蹊徑，找到滌綸纖維“無水染色”技術(shù)新路線

在中國的紡織行業(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，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法滲透進去。所以傳統(tǒng)技術(shù)路線一般會將染色溫度設置在130攝氏度左右，在這個溫度下，滌綸纖維會出現(xiàn)熱膨脹，不溶解于水的分散染料以顆粒態(tài)的形式存在，此時分散染料會“跑入”滌綸纖維內(nèi)部。當溫度下降時，纖維膨脹結(jié)束，會把染料顆粒包裹在纖維內(nèi)部。但是，此時滌綸纖維上還有很多表面染料的留存，需要用大量的水進行沖洗。因為中國紡織產(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。

事實上，很多科學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，都會變成流體，這種流體具有十分獨特的物理性質(zhì)，它的黏度低、密度大，有良好的流動、傳質(zhì)、傳熱和溶解性能。德國科學家發(fā)現(xiàn)在超臨界二氧化碳中，分散染料會被二氧化碳流體全面溶解，輕松完成無水染色的工藝。該技術(shù)還被列為中國“八五”期間及以后的科技攻關項目。

“但要完成超臨界二氧化碳染色的工藝，設備要求非常高。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能承受250個大氣壓的特殊設備，不僅設備價格昂貴，而且染色過程具有較高的安全隱患。中國企業(yè)曾經(jīng)從瑞士引入相關制造設備，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際生產(chǎn)。國內(nèi)目前已有相關公司可以生產(chǎn)超臨界二氧化碳染缸，雖然價格低于國外產(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‘實驗室’染色理論，但由于其難以逾越的超高壓特性無法成為一種適用于大規(guī)模染色的技術(shù)。”王際平解釋說。

繼續(xù)沿著“干洗染色”的思維去摸索實踐，王際平團隊獨辟蹊徑找到了一種新型介質(zhì)，實現(xiàn)了低成本的滌綸纖維低壓無水染色工藝。他告訴記者，這是一種能確保人體安全的有機溶劑介質(zhì)，其沸點是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)量的無水染色，染料使用效率高達90%以上。殘留在纖維上的染料同樣可以用這種有機溶劑進行清洗，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，整個工藝不會產(chǎn)生一滴污水。

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

“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，就能自動完成低成本無水染色過程。”王際平說。

未來要力爭摘掉染色產(chǎn)業(yè)“污染帽子”

目前，上海紡織化學清潔生產(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，可以在前端進行纖維染色，然后再紡紗織布，也可以在后端染紗和染布。當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。

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

對于滌綸布料的無水染色技術(shù)，團隊還在繼續(xù)攻關中，爭取在不久的將來能夠攻克這一生產(chǎn)難題，繼續(xù)拓展低壓無水染色的工藝邊界。

王際平表示，自己最大的心愿是摘掉中國印染工業(yè)的高污染的“帽子”，對現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)進行技術(shù)升級和替代。

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

但目前技術(shù)的推廣似乎遭遇了壁壘。“在國家產(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)。雖然綠色低碳無鹽非水介質(zhì)/無水染色、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。”王際平呼吁國家相關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，相關部門就應在產(chǎn)業(yè)定位、環(huán)評、能評、資金等方面對印染企業(yè)予以鼓勵和支持。我們也盼望著該技術(shù)能為中國紡織服裝產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展作出貢獻。”