超重力技術領域的苦行僧
——記中北大學化學工程與技術學院教授焦緯洲

本刊記者 陳 浩

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專家簡介：

焦緯洲，中北大學化學工程與技術學院教授，博士生導師。2016年榮獲侯德榜化工科學技術獎、科學中國人（2016）年度人物。2013年入選山西省學術技術帶頭人、山西省高等學校優秀青年學術帶頭人和山西省高等學校131領軍人才工程。他是山西省優秀博士學位論文獲得者，中國環境科學學會高級會員。擔任山西省化學會常務理事、山西省低碳科技發展研究會理事、Journal of Nanoscience & Nanotechnology Research主編。圍繞國家節能減排重大需求，以超重力技術為依托，焦緯洲重點開展了超重力環境下流體力學與傳遞過程、氣體凈化與多相分離、多相快速反應等領域的基礎科學問題和關鍵技術研究，在氣體凈化、廢水處理、乳化技術等方面形成了特色和優勢，并取得了一定的創新性研究成果。

習近平總書記說，綠水青山就是金山銀山！

建設生態文明是關系人民福祉、關乎民族未來的大計，是實現中華民族偉大復興中國夢的重要內容。過去幾十年來，中國經濟社會發展取得了翻天覆地的歷史性成就，但同時由于高耗能、高污染、高排放的問題也承受著資源環境方面的代價。資源緊缺、環境污染、生態失衡等一系列問題已成為制約我國經濟社會發展的瓶頸。人民對于“青山綠水”的需求已成為重要的民生問題。

習近平總書記不止一次地公開表示，生態環境與人民生活息息相關。環境就是民生，青山就是美麗，藍天也是幸福！這表明了黨和國家對于如何更好造福人民、提升全面小康含金量的深刻思考和高度重視，更是對于科技工作者提出了通過科技創新和體制機制創新，加大環境污染綜合治理，加快推進生態保護修復，全面促進節能減排，完善生態文明制度體系，形成人和自然和諧發展的現代化建設新格局所肩負的重要使命和職責。

民之所望，士之所擔。在這條艱苦卓絕的攻關路途上，涌現出了一批業務過硬，勇于創新，具有家國擔當的科學家，他們圍繞國家節能減排和生態治理的重大需求，把文章寫在祖國的大地上，把科技成果應用在實現現代化強國的建設中。

焦緯洲，就是這些“不忘初心，砥礪前行”的科學家中一位年輕有為的佼佼者。

一場報告讓他走上科研之路

在我國的化工領域，有一項權威獎項是侯德榜化工獎，主要表彰那些在研究開發和技術改造實踐中，勇于創新，做出重要貢獻并已取得重大經濟效益和社會效益的研究者。該獎項每年表彰一次，每次表彰人數不超過40名，在該領域從業者心中具有沉甸甸的分量。

焦緯洲于2016年站在侯德榜化工獎領獎臺上時只有35歲，身為中北大學最年輕的教授之一，他已經作為山西省的學科技術帶頭人扎根中西部十余年。以超重力技術為依托，焦緯洲開展了一系列的基礎科學問題和關鍵技術研究，在氣體凈化、廢水處理等方面形成了特色和優勢，并取得了一定的創新性研究成果。

能夠獲此殊榮足以證明他所做的工作在專家眼里得到了高度認可。“雖然地處偏遠的中西部，但我們一直在努力，為化工添磚加瓦貢獻自己的力量。”焦緯洲如是說，未來他希望自己的科研工作能做得更好、更大、更強，為習近平總書記在氣候變化巴黎大會上向全世界承諾的《巴黎協定》所規定的“國家自主貢獻”目標完成盡自己一份力量。

2003年，焦緯洲從華北工學院（分校）化學工程與工藝專業畢業時經歷過一段短暫的迷茫。畢業時他在天津的一個研究所找了份工作，同時他也報考了研究生。

“那份工作不錯，我先簽了工作，但是考研成績出來之后發現我也考上了研究生。”焦緯洲說，那時他很矛盾，不知道是應該去工作還是去讀研，陷入到一種幸福的煩惱之中。正在這時，他有幸聽了一場學術報告。“聽了報告后，讓我對科研有了更深一步的認識。覺得通過科研，能夠把自己所學到的東西轉化為生產力，在社會上得到更多的應用。”被科研的魅力所折服的焦緯洲于是果斷選擇了讀研，而那位作報告的老師——劉有智，后來也成了他的導師。

2003年9月，焦緯洲來到了中北大學化學工藝專業攻讀碩士。從此以后，他便與中北大學結下了不解之緣，不僅在這里讀完了博士，還在這里工作，取得了許多科研成果。而他的導師劉有智在科研上嚴謹、創新的治學態度、學術思想等都對他產生了深刻的影響。

“隨著學習的深入，我對化工產生了越來越濃厚的興趣。”焦緯洲告訴記者，“如果沒有化工，就沒有化肥，那么我們吃飯都成問題；如果沒有化工，也就沒有化纖，那么我們穿衣也成問題。”

憑借自己的努力，焦緯洲在工作上不斷突破。僅僅一年時間，他就成為山西省超重力化工工程技術研究中心副主任，之后又連續被破格提拔為副教授、教授。現在他已成為中北大學化學工程與技術學科學術帶頭人。

截至到目前，焦緯洲主持國家自然科學基金2項、山西省優秀青年基金等科研項目18項。在國內外重要學術期刊公開發表論文120多篇，其中被SCI、EI收錄近60篇，專著1部，《超重力裝置》行業標準1部，申報國家發明專利89件（授權56件）；獲國家科技進步獎二等獎1項、山西省科技進步獎二等獎2項、山西省科學技術發明獎二等獎1項等。

不積跬步，無以至千里。焦緯洲一步一步走到現在，能取得如此的成就，離不開這些年來日日夜夜加班加點廢寢忘食的積累。他坦誠，本科畢業時選擇讀研究生，只是順水行舟，當時并沒有多么高大的理想，也沒有一個目標。但是隨著時間的推移，自己對所做事情的意義和價值有了更深的理解，對科研的興趣也越來越濃厚。“也不僅僅是興趣，更多的還是感覺到身上有了一種作為科研人員為國為家的責任。”焦緯洲如是說。

三項技術成為他的驕傲

從2003年開始，焦緯洲將自己完全置身于超重力的世界中，跟隨導師致力于超重力多相流傳質與化學反應的基礎與應用研究。

“超重力是個平臺技術。”焦緯洲解釋道，“傳統的化工技術都是在重力場下完成的。而我們是把所有的化工過程放在超重力環境中完成。”將化工過程放在超重力下進行，這就產生了一個全新的概念和思路，為當今的化學工業注入了新的活力。超重力技術作為新型過程強化技術，與傳統化工技術相比，具有傳遞效率高、設備體積小、占地少、氣相壓降小、液體利用率高、能耗低等優勢。該技術實現了節能減排降耗及資源有效利用，成為大型化工裝置小型化、微型化的核心技術，可用于一些傳統技術不能勝任的場合。因此被喻為“化學工業的晶體管”。

“如果把科研過程比喻為人類的成長過程，那么超重力領域的研究還處于幼兒階段。”焦緯洲告訴記者，超重力研究至今只有30多年的歷史。但由于超重力化工具備多種優勢，因此作為化工過程強化領域的一個分支，被歐美發達國家列為優先發展的領域。

近些年來，中國、印度、巴西等許多發展中國家也廣泛展開了超重力化工的研究，取得了眾多成果。“世界的超重力研究中心，毫不夸張地說是在中國。”焦緯洲說，中國是一個發展中國家，對化工的需求非常大。因此在超重力領域，中國的研究發展得很好。“當歐美發達國家的科研人員看到中國已經將那么多超重力技術應用于生產，并且在節能減排中取得非常好的效果，都非常驚訝。”

在超重力化工領域，焦緯洲及其團隊所涉及的內容非常廣泛，而且技術都比較前沿，在很多方面都有工程案例，在氣體凈化、乳化柴油、廢水處理等方面形成了一定的特色和優勢。

在所有學術成績中，焦緯洲最看重的可以概括為三大技術。

第一項是超重力場專用規整填料與超重力脫氨除濕技術。根據超重力場下錯流旋轉床的氣液傳質特性和對填料結構動平衡性的要求，焦緯洲提出了超重力旋轉床規整填料的設計思想，研制出了新型規整填料——多孔波紋板規整填料。“多孔波紋板規整填料彌補了散裝填料動平衡性差、傳質效率低、阻力損失高等不足。”焦緯洲說，“我們還對其流體力學和傳質性能進行了系統研究。研究表明：氣相壓降低、傳質系數高，比塔高1～2個數量級。”焦緯洲的這項研究成果發表在了化工類國際三大權威期刊之一的Ind.Eng.Chem.Res.上。

焦緯洲曾是中北大學最年輕的教授

第二項是超重力連續制備甲醇柴油乳化燃料技術。近些年來，世界各地的石油資源日趨短缺，而環境污染卻日益嚴重，因此發展低排放代油燃料成為趨勢。甲醇柴油乳化燃料作為一種節能、環保燃料，是比較理想的代油燃料，已引起了世界各國的重視。但是制備甲醇柴油乳化燃料的技術還不是很完善。

“影響制備乳化柴油性能的兩個關鍵因素是乳化劑和乳化裝置。”焦緯洲說，圍繞這個思路，他開發了超重力連續制備甲醇柴油乳化燃料技術。“我們還首次將超重力環境下甲醇乳化柴油的制備過程劃定為撞擊流初始乳化、旋轉填料床強化乳化和壁面反濺完善乳化等3個乳化過程，建立了流體質點在撞擊區和旋轉填料區的流體速度場分布，論證了撞擊流—旋轉填料床制備甲醇乳化柴油的科學性。”焦緯洲自豪地說。

焦緯洲的自豪是有原因的，他開發的超重力連續制備甲醇柴油乳化燃料技術獲得了國家自然科學基金資助，授權國家發明專利4件。基于這些研究，他還寫出了專著《超重力強化甲醇柴油乳化燃料制備技術》，于2013年由國防工業出版社出版。

第三項技術是超重力技術強化臭氧傳質。在有機廢水處理領域，基于臭氧的高級氧化技術具有反應速率快、處理效率高、無二次污染等優點，成為世界各地科學家研究的熱點。“但是臭氧存在水溶性差等問題，而大多數有機物的臭氧氧化反應受臭氧在水中的傳質過程控制或氧化反應和傳質過程同時控制。”焦緯洲一針見血地指出，“所以如何有效提高氣液接觸面積和加快相界面更新速率，對于提高臭氧溶解速率和在廢水處理領域的應用具有非常重要的意義。”

認清了癥結所在，接下來的工作就好辦多了。焦緯洲從強化臭氧傳質機理出發，通過耦合雙氧水、超聲、電解等技術，促使臭氧與其耦合產生氧化能力更強的羥基自由基·OH，以提高有機污染物的降解效能。焦緯洲解釋：“與傳統曝氣反應器相比，超重力強化臭氧耦合雙氧水可將硝基苯廢水的COD和硝基苯的去除率分別提高22.9%和23.3%；超重力協同超聲促進臭氧氣體進入空化氣泡，并在超聲空化泡內熱解產生大量的·OH，使以O3直接反應轉化為以·OH氧化有機物的更快更強的反應，提高其臭氧利用率和氧化能力。”

焦緯洲的這項技術發明申報國家發明專利26件，授權12件，并且在一些著名學術期刊上發表學術論文28篇。基于以上研究，2017年，焦緯洲及其團隊在化工學科國際權威學術刊物Chem.Eng. J.上發表了首篇關于超重力強化廢水處理的綜述性文章，提出了“超重力+X”的思路，通過耦合電解、臭氧氧化等過程，實現超重力強化各類廢水的高效分離，并對超重力技術在廢水處理領域面臨的挑戰和展望進行了闡述，為推進廢水處理工業化提供重要的參考和理論依據。

能夠將“產—學—研—用”相結合，幾乎是所有科研工作者的夢想，但這對于焦緯洲來說已經夢想成真了。“我們所做的項目都是產學研的結果。”焦緯洲說，“企業有了技術難題到我們這里（高校）來交流，我們對此進行實驗，覺得技術難題解決之后，再把實驗裝備拉到企業現場由他們決定是否可用，最終把這項技術轉換為生產力。”隨著國家環保標準的提高，傳統的除塵、脫硫等設備在處理效果方面已不能滿足新的環保要求，而中北大學的超重力技術在節能減排方面表現得十分搶眼，在大氣PM2.5源頭治理上大有可為，理念得到廣泛認可。

如今焦緯洲的多項研究成果都得到了應用，其中超重力脫硫技術、超重力脫氨除濕工程、超重力VOC凈化技術等在四川平武錳業集團、天脊集團等地成功實現工業化，節能減排效果顯著。

焦緯洲作為團隊核心成員，執筆完成了山西省現代化工節能減排協同創新基地、超重力化工過程山西省重點實驗室、超重力化工環保產業技術創新戰略聯盟、山西省超重力化工過程強化重點科技創新團隊、山西省“1331工程”化學工程與技術優勢特色學科等科研平臺的申報、論證等工作并成功獲批。

“我們實驗室已經成為中北大學的一個窗口。”焦緯洲頗為自豪，“現在有很多企業、單位來找我們合作。”

和學生們的合影

在學與教中領悟科研魅力

2016年初，焦緯洲遠赴美國，在弗吉尼亞理工大學做了一年的訪問學者。他在美國主要是做水處理，這也是他近幾年集中科研力量正在做的事。

“在美國，我主要做的是把微生物燃料電池應用于水處理中。”不過焦緯洲認為，在國外更重要的是拓展視野，使團隊的研究領域更加寬廣。他發現，在美國廢水處理更多應用于生活廢水、城市廢水，但工業廢水、重金屬等應用得非常少，這可能與發達國家的環境有關。而在發展中國家，工業廢水、重金屬處理的應用研究則有更大的市場需求。

令人羨慕的是，在美國短短一年的時間，焦緯洲就在化工類的頂級期刊上發表了超重力強化廢水處理的文章。這對于焦緯洲來說意義重大，因為他的研究得到頂級期刊的認可、得到業界的認可。“這幾年所作的廢水處理工作，讓世界有所了解，讓更多人認識到我們所作的工作。”焦緯洲說，這對他來說更有意義。

2017年初從美國剛一回來，焦緯洲又一頭扎進了繁忙的工作中。他做科研的同時還要帶學生，而對于如何培養學生，焦緯洲有一套自己的理論。

“對于本科生，我會把自己實踐的體會告訴學生，讓學生感受到自己所研究的課題實際上與現實應用并不遠。”焦緯洲說，這會讓學生有一種感覺——化工就在身邊。他認為，本科生主要是提高用已有知識分析問題、解決問題的能力。

而對研究生，焦緯洲的要求就要嚴格許多。“研究生遇到問題，要在學中干、干中學，要更多提高拓展思維的能力。”焦緯洲告訴記者。此外，他們的團隊每周六雷打不動都會有學術報告，他都會讓學生去聽。1年40周學術活動，每周至少2學時，3年就是240學時，這算是很大一門課。

“另外，做任何事情首先要學會做人。要團結、相互支持。”焦緯洲強調。

“我大學畢業的時候，我的老師給的留言寄語是：學習者是苦行僧、學習者是登山人、學習者是航海家、學習者更是享受者——享受高度帶來的遼闊，享受富集帶來的深遠，享受專一擁有的擁有，享受因享受而體會的喜悅。因為享受，堅持學習。”談到自己的學生，焦緯洲想起了自己的老師，正如老師當年的寄語，他一步步走向科研事業，他希望將這種精神也能傳承給自己的學生。

路漫漫其修遠兮，回顧自己這么多年的科研求索之路，焦緯洲不禁向記者感慨，科研是苦行僧的日子，科研也是興趣使然的東西。科研之路是一條光明與黑暗并存的路。每一個科研工作者都是探路者，都是苦行僧。他永遠不知道科研之路上有什么在等待著他。如果說，智慧和汗水讓他有所收獲、有所成績，這個時候是最讓人開心的。

“就如我們所做的超重力技術，如果能把自己所做的東西真正轉化成生產力，能給企業帶來福音，能給國家和人民換回綠水青山，那么，這就是我最開心的事情。”焦緯洲說這話時擲地有聲，“希望能夠通過我的科研成果，讓藍天常在、青山常在、綠水常在，讓孩子們都能生活在良好的生態環境之中，這就是我的中國夢！”