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西安建大周軍“碳基能源綠色開發(fā)利用強(qiáng)基教授團(tuán)隊(duì)”在低階煤清潔高效轉(zhuǎn)化及副產(chǎn)品蘭炭末增值利用領(lǐng)域取得重要進(jìn)展
來源：西安建筑科技大學(xué) 2023-09-15
導(dǎo)讀：近日，西安建筑科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院周軍教授“碳基能源綠色開發(fā)利用強(qiáng)基教授團(tuán)隊(duì)”在低階煤清潔高效轉(zhuǎn)化及副產(chǎn)品蘭炭末增值利用領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。研究成果以“Free-radical behaviors of co-pyrolysis of low-rank coal and different solid hydrogen-rich donors:A critical review（低階煤與不同固體“富氫”體共熱解的自由基行為：評論性綜述）”和“Gas stripping coupled with in-situ oxidation assisted microwave remediation of contaminated soil for efficient removal of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs)（氣提耦合原位氧化輔助微波修復(fù)污染土壤中多環(huán)芳烴的高效去除）”為題連續(xù)發(fā)表在化學(xué)工程領(lǐng)域國際權(quán)威期刊《Chemical Engineering Journal》（2023年影響因子為15.1，SCI一區(qū)TOP期刊）。兩篇論文第一完成單位均為西安建筑科技大學(xué)，化學(xué)與化工學(xué)院師資博士后吳雷為第一作者，周軍教授為通訊作者。該研究工作得到了陜西省“煤炭高效清潔轉(zhuǎn)化及增值利用創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”項(xiàng)目支持。
“雙碳”目標(biāo)下，煤炭清潔高效利用成為撬動煤炭未來轉(zhuǎn)型發(fā)展的支點(diǎn)，是立足我國煤炭資源稟賦、確保能源安全的重要戰(zhàn)略舉措。陜西省榆林地區(qū)低階煤資源儲量豐富，具有“三高三低”特點(diǎn)，通過中低溫?zé)峤馍a(chǎn)蘭炭、煤焦油和煤氣等產(chǎn)品，是其高效轉(zhuǎn)化利用的最佳方式之一。然而，低階煤中較低的H/C導(dǎo)致常規(guī)熱解焦油產(chǎn)率低和質(zhì)量差、煤氣中H2、CH4等有價(jià)組分產(chǎn)率低等問題，使得產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益受到影響。煤加氫熱解技術(shù)有利于制取高收率、高品質(zhì)煤焦油和高熱值煤氣，但廉價(jià)“氫源”及其供氫機(jī)理一直是該技術(shù)降本增效的關(guān)鍵。固體“富氫”體，如生物質(zhì)、廢棄塑料、油頁巖等，具有廉價(jià)、資源豐富、揮發(fā)分高和H/C比高等特點(diǎn)，被認(rèn)為是煤加氫熱解的理想固體“氫源”。低階煤和固體“富氫”體共熱解反應(yīng)遵循自由基反應(yīng)機(jī)理，探明共熱解過程中兩者的自由基反應(yīng)行為和協(xié)同互促作用，可闡明固體“富氫”體在共熱解過程中供氫機(jī)理，有望實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)油氣產(chǎn)物的可控生產(chǎn)。該論文從自由基角度對低階煤和固體“富氫”體共熱解過程進(jìn)行綜述，分別就自由基的檢測方法和應(yīng)用、共熱解過程中的自由基行為、共熱解過程中自由基行為的影響因素和自由基行為對共熱解所得產(chǎn)物的影響四個(gè)方面展開詳細(xì)調(diào)查分析，深度解析了低階煤和固體“富氫”體共熱解反應(yīng)中自由基行為，獲得了固體“富氫”體在低階煤熱解過程中的供氫/加氫反應(yīng)路徑。最后，概述了自由基行為研究所取得的成果和面臨的挑戰(zhàn)，提出了低階煤和固體“富氫”體共熱解研究中尚未解決的難題。隨著現(xiàn)代城市化進(jìn)程的加速發(fā)展，城市老工業(yè)區(qū)搬遷后遺留的污染土壤修復(fù)問題引起格外關(guān)注，特別是多環(huán)芳烴（PAHs）污染土壤的修復(fù)。PAHs具有強(qiáng)烈的致癌、致畸、致突變性，并多以土壤為最終載體對生態(tài)環(huán)境和人體健康造成巨大的威脅。熱解吸技術(shù)是目前應(yīng)用最為廣泛的有機(jī)污染土壤修復(fù)技術(shù)之一。然而，其在較低修復(fù)溫度下很難完全將PAHs從土壤中脫附出來，歸其原因是土壤顆粒內(nèi)外存在一定的溫度差，且PAHs被吸附在土壤顆粒的深層孔隙和夾層內(nèi)，導(dǎo)致PAHs熱解吸效率低，逸出土壤阻力大。微波熱解吸技術(shù)是利用土壤中極性吸波介質(zhì)將微波能轉(zhuǎn)化為熱能，土壤整體被加熱到修復(fù)溫度，具有加熱均勻、處理時(shí)間短、加熱效率高等特點(diǎn)。但由于土壤的弱吸波性，僅靠污染土壤中PAHs等極性物質(zhì)吸波升溫很難到達(dá)熱修復(fù)溫度，必須添加吸波介質(zhì)來改變土壤整體的吸波性。除熱應(yīng)力外，氣體沖擊“侵蝕”也可破碎土壤顆粒，將PAHs從土壤顆粒表面、深層孔隙和夾層內(nèi)剝離下來，并將其夾帶逸出土壤。基于此，作者以低階煤中低溫干餾所得副產(chǎn)品蘭炭末（BC）為基體，制備了一種具有多功能的蘭炭基改良劑，采用氣體剝離（汽提）耦合原位氧化協(xié)助微波修復(fù)新策略，實(shí)現(xiàn)了較低修復(fù)溫度（100~300 ℃）下熱解吸對PAHs污染土壤的高效修復(fù)。該改良劑中的BC基體能較好地吸收微波能并將其轉(zhuǎn)化為熱能，使土壤整體均勻加熱。活性組分KHCO3和MnO2能夠有效剝離（汽提）吸附在深層的PAHs，并將其氧化降解，避免PAHs逸出土壤引發(fā)的二次環(huán)境污染問題，同時(shí)提高了土壤中速效鉀（鉀肥）含量。在“微波-汽提-氧化”協(xié)同作用下，吸附在土壤顆粒內(nèi)外的PAHs最大脫除率達(dá)98.34%；PAHs被氧化降解為低毒性小分子有機(jī)物、CO2和H2O，有效降低了污染土壤的毒性。吳雷博士作為師資博士后于2021年3月進(jìn)入我校化學(xué)與化工學(xué)院工作，合作導(dǎo)師為周軍教授。入職以來，在學(xué)校和學(xué)院大力支持下，吳雷博士以第一作者在ChemicalEngineering Journal、Journalof Cleaner Production、Fuel、WasteManagement、FuelProcessing Technology、化工學(xué)報(bào)（A類期刊）等能源化工領(lǐng)域知名期刊累計(jì)發(fā)表學(xué)術(shù)論文11篇（SCI一區(qū)8篇，二區(qū)2篇），授權(quán)國家專利3件、軟件著作權(quán)1件。
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