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张彭义:创新务实求卓越 除醛净气惠于民
——记清华大学环境学院教授、环境化学教研所所长张彭义

作者:□ 王 涵    发布时间:2019-07-20

导读:  丰富的经历造就了一个丰富立体的张彭义,从水处理到室内空气净化,从环境工程到环境科学,开展学科交叉研究,借鉴化学材料学知识应用于环境问题的解决,产学研结合普惠于民,经历丰富的张彭义活成了最想要的自己。

  2018年5月,江苏镇江市丹徒区某家幼儿园一名上中班的5岁小女孩被诊断出患有急性淋巴细胞白血病,经检测发现他们家装修7年的卧室甲醛含量竟还高达0.117mg/m3。
  2018年8月,一篇《阿里P7员工得白血病身故,生前租了自如甲醛房》的文章在朋友圈刷屏,该文曝出王先生在租住甲醛超标的自如房2个多月后罹患白血病不幸去世。
  …………
  “室内空气污染”是继“煤烟污染”“光化学烟雾污染”之后,人类面临的“第三次空气污染”。大量触目惊心的事实证明,室内空气污染已成为危害人类健康的“隐形杀手”,也成为世界各国共同关注的重要领域。
  从最初以水污染控制化学研究为主,到逐渐转移到室内空气污染控制化学与材料研究;从最开始的纯工科研究,到理工结合,再到坚持技术研究和产品开发一条龙……在水木清华,环境学院教授、环境化学教研所所长张彭义所走过的科研探索之路反映了他在科研方向上的巧妙思考:虽然室内空气污染控制研究只是整个环境科研领域里的“一小宗”,但它的实际需求却非常大。恰在这片天地里,张彭义可以实现自己做科研的初心——做些实实在在的事情,希望有朝一日自己研发的技术、产品能得到大规模的应用,切实地造福于民。他相信,脚踏实地,是老百姓的生存哲学,也是科学研究的基本态度和基本方法。正因为怀抱这样信念,才有了他后来坚持不懈的科研征程。
  
漫漫求索
  1970年2月,张彭义出生在浙江东部余姚的一个小山村。如同当时的大多数家庭,他家境贫困却也不失欢乐。或许正因为如此,他身上一直有着一股子坚韧不拔的品质,伴着他一路向前,承重却永远不失乐观。穷人孩子早当家,张彭义从小就立下读书改变命运的志向,小学接触到的有限的几本古典小说和历史书为他打开了一扇窗,“敢为天下先,希望做些有意义的事情”的梦想随着视野的扩展变得越来越具象。虽然当时山区生活艰苦、教育条件有限,但幸运的是他遇到的都是和蔼可亲、负责任的好老师,在他们的牵引之下,张彭义不仅养成了勤奋踏实的学习习惯,还树立了要成为一个对国家、对人民有用的人的坚定理想。他一直记得,中学政治课老师有一次在课堂上提问——“长大要做什么”,“要做一番事业!”张彭义的回答至今仍印在脑海里,虽常自嘲“有些不知天高地厚”,但影响却是伴随一生:“过去的日子里我一直为我这句话而努力着,希望在科研上做出一点实事,不辜负昔日老师对我的期许。”
  心怀梦想,张彭义最终如愿走出了大山。1988年,他以优异成绩考入中国纺织大学环境工程专业,从此与环保事业结下了不解之缘。1992年,他又以优异的成绩考入清华大学环境工程系攻读硕士学位。水木清华,钟灵毓秀,沐浴在这所中国顶级的巍巍学府浓厚的文化氛围里,张彭义一路攀登象牙塔,一路追索求取,并最终留在了这里。
  从1992年进入清华大学以来,张彭义就一直从事环境污染控制化学方面的研究工作,尤其是高级氧化和环境光催化方向的研究。博士毕业时,他对自己的专业方向做了一些调研和较深入的思考。特别是在科技部借调的两年多时间里,他对专业选择有了更宏观的认识。他一直非常注重科研选题,一是紧抓科研前沿,二是适合自己兴趣和追求,三要有一定的发展空间,避免系内的恶性竞争。
  “我从1998年博士毕业开启自己独立的科研之路起,就知道这条路不好走,科研经费的渠道很有限,国家的科研投入不多。而我当时从事的方向也算不上环境系最主流的方向,所以只有加倍努力。”因此,张彭义成了系里出了名的“拼命三郎”,寒来暑往,白天晚上,只要不出差就到办公室工作。借助清华的平台,再加上自己强烈的忧患意识和开拓创新的能力,张彭义这些年的科研项目进行得很顺利,国家的重要科研计划、国际合作、企业合作的项目都争取到了,先后主持和参与了“十五”“十一五”“十二五”的原“863”课题和原“973”计划光催化项目,后者他还是环境领域中唯一的参与人,为光催化领域其他专业的研究者提出了许多有益的建议。
  一路边走边摸索,十几年时间里,张彭义的科研思路立足前沿、面向需求,越走越清晰,也伴随着相关领域的研究日益受重视和飞速发展,他的研究逐渐有了自己的特色。
  2007年之前,张彭义的研究工作以水污染控制技术研究为主。主要是围绕水污染的各种高级氧化处理技术及其与生物处理流程的结合,包括臭氧、过氧化氢/紫外光、光催化、强化光催化、生物活性炭等,涉及难降解有机物废水、自来水消毒副产物、微污染地表/地下水、二级出水的深度处理、特种的军工废水等,此外还围绕滇池项目做了一段农田径流人工湿地处理的工作。
  虽然研究取得了不错的进展,技术也代表了前沿的方向,但在张彭义的心里,始终有一个“过不去的坎儿”,他认为相关领域研究在当时仍缺乏足够的应用需求,新技术较高的成本在当时也难以被接受,这与他的科研初衷还存在一定的差距。此时,室内空气污染控制化学与材料研究的应用需求触动了张彭义的心弦。
  2006年5月,联合国秘书长在联合国可持续发展委员会第14次会议上指出:室内空气污染是导致世界人口死亡和发病的十大原因之一。全球因室内空气污染引起的呼吸道疾病、慢性肺病、气管和支气管炎等疾病分别占到发病总数的35.7%、22%和15%。而中国当前正处于城市化快速发展阶段,房屋装饰装修释放多种多样的气态污染物。在通风不足的环境中,这些有机污染物已成为现阶段我国城镇居民普遍面临和关心的突出环境问题,关系到数亿民众的健康和切身利益。
  张彭义在室内空气研究领域早前就有所积累,先后发表了多篇研究论文,引起过同行的较多关注,之后陆续做过几项关于空气中挥发性有机物的项目,在强大需求的牵引下他从2007年开始聚焦室内空气的净化技术研究,在国内外最先提出185nm真空紫外光催化法,之后又把更多的精力放在了基于二氧化锰的室温催化降解甲醛和臭氧的研究上。在张彭义看来,这是自己“离梦想最近的一次”。他在推进技术成果的转化与应用上做了大量的工作,经历了许多意想不到的问题和挫折。
  产学研一体,这是一条难比上青天的路,所以很多人在困难面前止步。但因为心怀梦想,在经费和人员有限的情况下,张彭义却选择迎难而上,且一步一步走出了一条前景广阔的应用之路。过去几年中,他和团队为了催化剂的制备方法优化、性能测试、工艺放大和优化、生产废水处理等开展了大量的工作,从实验室小试、中试到规模化生产,目前已经规模化试产成功,可以1天内一次性生产几千平米净化纤维材料,在此基础上可以进一步生产高效的甲醛净化滤网、甲醛净化器。这方面的工作展现出很好的应用前景,净化器企业、电取暖企业都很关注这项技术。室温催化分解臭氧的研究也得到波音公司、净化器企业的关注……
  从最初的缺人、缺资金、缺设备……走到今天独立自强可以自己靠技术、产品支撑团队的发展,回顾走过的应用科研历程,张彭义感慨万千:“这一路充满荆棘,遇到了一个又一个的技术挑战,要研发成功一个技术需要长期的坚持,需要运气,更需要勇气。”是敢想敢为的拼劲儿,是心向应用的初心给了他冲破荆棘、勇往直前的勇气和信念。
  
创新为剑
  研发基于活性锰的甲醛室温分解材料及产品,包括用于室内净化甲醛的被动式产品:片状甲醛分解毡和除醛地板垫等;
  利用骨架无纺布的超薄易折叠性开发了主动式甲醛净化产品——除醛滤芯,用作商用、民用、医用空气净化器滤芯;
  研发基于185nm真空紫外光催化空气净化器和基于真空紫外光催化—臭氧分解技术的自净式药品安全柜;
  …………
  近几年,在张彭义及其团队的不懈努力之下,团队面向市场需求结出的硕果越来越多。众人看到的是鲜花硕果,只有亲历其中的人才能更深刻地体会走过的艰辛历程。从最初的举步维艰,到现在在市场里开辟出一片前景广阔的天地,张彭义和他的团队经过了几年的经验积累和与市场的磨合,是敢于创新的利器,为他们开启了一扇又一扇通往梦想的大门。
  或许对张彭义来说,敢于创新的“种子”和“基因”就埋藏在血液里。早在2005年专注水污染控制技术研究的时候,清华大学环境系和斯坦福大学有个合作的项目,他通过这一项目了解到全氟取代化合物是当时美国环境化学界的关注热点,当即决定开始全氟取代化合物的降解研究,成为国内相关研究的开拓者之一。从2006年发表了这方面的第一篇文章,到2016年10年间,他在这方面共发表了19篇SCI论文,发现了几种降解全氟取代化合物的新方法、新途径,包括真空紫外光降解、氧化铟/氧化镓光催化降解、三价铁配合/紫外光降解等,为相关研究的发展做了很多开拓性工作。这个阶段也正是张彭义从原来的纯工科思维转向理工结合思维的重要阶段。此后他开始更加注重科学的深度,注重机理的剖析,因此,催化化学、材料方面的研究水平得到很大的提高。也正是经过这个阶段探索,让他下定决心开辟新的研究领域。
  什么是创新?很多时候,对张彭义来说,创新的价值,不只在探索一片新的处女地,开天辟地结出新的果实,很多时候更在于启发。关注室内空气中甲醛、挥发性有机污染物研究之后,以创新为剑,他先在国际上最早发现采用产臭氧紫外灯(发射254nm和185nm真空紫外线)为光源(即真空紫外光催化)时,气相中污染物(如甲醛、甲苯、正己烷)的光催化速率成倍地提高这一现象,并因此受启发,发明了微量臭氧强化光催化和真空紫外光催化净化空气的方法,为减少真空紫外光催化过程中臭氧副产物的生成,还开发了贵金属和锰氧化物修饰二氧化钛薄膜材料,发明了常温下长效分解低浓度臭氧的催化材料,在此基础上才最终发展了真空紫外光催化—催化臭氧分解净化空气的新工艺。
  “创新有时候看似很容易,它往往是在思考过后一瞬间的灵光闪现,之后就是一连串的启发;但创新有时候又很难,在你感觉终于可以柳暗花明的时候瞬间又陷入死胡同。”对张彭义来说,这样的峰回路转再正常不过。
  185nm真空紫外光催化是张彭义在国内外最先提出来的方法,这一方法比普通的光催化有更高的挥发性有机物去除速率,但后来发现挥发性有机化合物(VOCs)去除的技术要求太严苛(反应时间短至毫秒),因此这一方法目前只在低风量低浓度VOCs的去除上得到一些应用,譬如开发的自净式药品柜、生物安全实验室杀菌除味等。即便如此,张彭义也尽自己所能去寻找相关技术研究在市场上应用的结合点,让它们发挥更大的光芒,为百姓带去福利。
  “如果从产品开发的角度来说,我们大部分科研都是失败的,成功率不到1%,可以说我们所有科研人员的工作都是在不断失败中再继续前进。”历经磨难的张彭义早已在风雨中练就了淡定从容。多年努力使他拥有一些独特的优势:理工结合、知识面广;有较强的科研组织能力。有丰富曲折科研经历的人离成功更近。不管面临怎样的困难,要做怎样的调整,他内心永远有一杆秤:即自己创新的方向一定是要有意义,一从学科发展角度看,融合环境、化学、材料等交叉学科;二从服务对象看,永远针对广大老百姓的直接需求。
  国需民需即我需,怀揣这一准则一路披荆斩棘,他和团队的技术研究和产品研发之路突破瓶颈,越走越顺畅,他们先后研发的“味醛净”除醛除味喷雾及依靠原国家“863”计划重点项目“室内空气与密闭空间空气质量改善技术与示范”,耗时5年研发的“活性锰甲醛分解毡”先后成为市场上的“爆款”,究其原因,还是基于深入的技术探索,想别人之不能想,做别人之不能及,效果明显,使用方便快捷,深入了解市场、了解百姓的需求。
  值得一提的是,张彭义的创新精神并不只在科研领域发挥作用。在过去的经历中,无论从事的是科研、教学还是公共服务,创新思维贯穿始终。教学上,他讲授的环境化学、室内空气课程都是他开设的新课,借鉴国内外优秀教材确定教学内容,并为此翻译出版相关著作;在公共服务方面,他在做班主任时,别出心裁地做了一系列开创性的工作,组织了新生系列讲座等;在担当系学术委员时,他提议并组织了“环境学术沙龙”“环境论坛”两个系列学术活动。他还从无到有,牵头发挥多方作用,建立了环境质量检测中心,累计进校检测费用超过1000万元,被学校实验室与设备处评为2014年开放服务一等奖;担当国家重点实验室室务委员时,积极提出建议,获2013年度贡献奖……
  “给我一个机会,我会尽力用好;没有机会,我会尽力去争取、去创造。”逆境面前不气馁,顺境面前依然努力。丰富曲折的经历成就了一个坚韧不拔、勇于创新的张彭义,也成就了他的硕果满园。
  
其利断金
  一路披荆斩浪,张彭义收获的不只有系列前沿技术和产品,最让他感到欣慰的是自己的团队也在磨炼中成长起来。
  这是一支近20人的结构合理、分工明确且兼具有交叉学科特色的团队,分为两个小组,一个小组面向前沿技术坚持做原创性的应用基础研究,另一部小组则面向产品做开发和完善。这样的分工强有力地支撑起这支团队共同的产学研梦想,让他们既有掌控前沿技术的底气又有将研究搬下高阁带入寻常百姓家的自信,既能仰望星空,又能脚踏实地,顶天立地做科研。
  张彭义特别重视实验室的建设,在读博期间就协助博士生副导师利用211工程经费购置必要的仪器设备,使得实验室面貌焕然一新,引得参访者赞叹。对于需要的仪器设备,凡是能有条件的就尽力购置,至今他所在的实验室以科研经费购买的固定资产有500多万元,为开展科研工作奠定了较好的硬件基础。
  虽然经历过很多的磨难,但幸运的是张彭义和他的团队初步完成了自立自强的蜕变过程,这其中离不开自身团队的壮大,国家、地方项目的支持,还有成果转化企业的帮助。如通过“苏州—清华创新引领行动专项”专项:面向科技前沿的引领性技术或颠覆性技术项目,他们开始摆脱困境,完成了高效清除VOCs和恶臭污染的等离子体协同催化技术和产品的研究和开发;通过承担南京领军型科技创业人才项目建立南京宇杰环境科技有限公司,他们开发的甲醛分解片、空气净化滤芯、活性锰卷材、除醛皮革已经实现了“走进寻常百姓家,惠及普通老百姓”,也为进一步研究开发新产品提供了坚实的经济基础。如今的张彭义和他的团队,已经能够更从容地做自己想做的研究。
  通过与企业合作,他们也积累了越来越多的市场知识。如甲醛分解毡自2014年下半年开始于京东商城上开始销售,期间他们别出心裁地推出科普类宣传册派发、微信公众号和服务平台、大众点评1元秒杀、清华校庆促销等活动宣传该产品,同时吸引了数家销售团队和代理商有意参与该产品的销售。之后他们与多个企业开展合作,几经试错磨合,逐渐确立了自身专注技术和产品研发、产品销售交流与合作公司的发展模式。2017年和北京中弘科技有限公司的销售合作取得了显著成效,当年“味醛净”产品销售首次突破6万套,至今该品牌产品总销量近30万套。越来越多的人加入他们的产业队伍,多人同心,其利断金。
  虽然产品逐渐打开市场,与企业的合作也越来越多,但张彭义和他的团队骨子里却依然保持着科研人特有的倔强和坚持。产品有没有效、其反应机理如何,都要反复经过无数次的验证,他们对活性锰粉末和片材的除甲醛性能开展长达几百、上千小时的连续测试;设计几种不同结构的测试装置,以实时测试不同时间甲醛浓度的变化及二氧化碳的生成;在实际新装修后的房间中测试了活性锰除醛滤芯的性能,同时与活性炭滤芯进行比较……虽然这样的评价方式费时费力费成本,但张彭义依然选择坚持。这样的方式也让他们赢得了市场的信任和同行的尊重。
  丰富的经历造就了一个丰富立体的张彭义,从水处理到室内空气净化,从环境工程到环境科学,开展学科交叉研究,借鉴化学、材料学知识应用于环境问题的解决,产学研结合普惠于民,经历丰富的张彭义活成了最想要的自己,现在的他每天依然忙碌,不管是教学、科研、做产品,他都尽力为团队成员创造一个良好的平台以实现大家共同的梦想,但也不忘时刻提醒自己和团队成员:卓越离不开创新,而创新要瞄准实际需求解决实际问题,解决问题的产品才能赢得市场认可。
  
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