西安建大周军“碳基能源绿色开发利用强基教授团队”在低阶煤清洁高效转化及副产品兰炭末增值利用领域取得重要进展

来源：西安建筑科技大学 2023-09-15

导读：近日，西安建筑科技大学化学与化工学院周军教授“碳基能源绿色开发利用强基教授团队”在低阶煤清洁高效转化及副产品兰炭末增值利用领域取得重要进展。研究成果以“Free-radical behaviors of co-pyrolysis of low-rank coal and different solid hydrogen-rich donors:A critical review（低阶煤与不同固体“富氢”体共热解的自由基行为：评论性综述）”和“Gas stripping coupled with in-situ oxidation assisted microwave remediation of contaminated soil for efficient removal of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs)（气提耦合原位氧化辅助微波修复污染土壤中多环芳烃的高效去除）”为题连续发表在化学工程领域国际权威期刊《Chemical Engineering Journal》（2023年影响因子为15.1，SCI一区TOP期刊）。两篇论文第一完成单位均为西安建筑科技大学，化学与化工学院师资博士后吴雷为第一作者，周军教授为通讯作者。该研究工作得到了陕西省“煤炭高效清洁转化及增值利用创新团队”项目支持。

“双碳”目标下，煤炭清洁高效利用成为撬动煤炭未来转型发展的支点，是立足我国煤炭资源禀赋、确保能源安全的重要战略举措。陕西省榆林地区低阶煤资源储量丰富，具有“三高三低”特点，通过中低温热解生产兰炭、煤焦油和煤气等产品，是其高效转化利用的最佳方式之一。然而，低阶煤中较低的H/C导致常规热解焦油产率低和质量差、煤气中H2、CH4等有价组分产率低等问题，使得产业经济效益受到影响。煤加氢热解技术有利于制取高收率、高品质煤焦油和高热值煤气，但廉价“氢源”及其供氢机理一直是该技术降本增效的关键。固体“富氢”体，如生物质、废弃塑料、油页岩等，具有廉价、资源丰富、挥发分高和H/C比高等特点，被认为是煤加氢热解的理想固体“氢源”。低阶煤和固体“富氢”体共热解反应遵循自由基反应机理，探明共热解过程中两者的自由基反应行为和协同互促作用，可阐明固体“富氢”体在共热解过程中供氢机理，有望实现高品质油气产物的可控生产。

该论文从自由基角度对低阶煤和固体“富氢”体共热解过程进行综述，分别就自由基的检测方法和应用、共热解过程中的自由基行为、共热解过程中自由基行为的影响因素和自由基行为对共热解所得产物的影响四个方面展开详细调查分析，深度解析了低阶煤和固体“富氢”体共热解反应中自由基行为，获得了固体“富氢”体在低阶煤热解过程中的供氢/加氢反应路径。最后，概述了自由基行为研究所取得的成果和面临的挑战，提出了低阶煤和固体“富氢”体共热解研究中尚未解决的难题。

随着现代城市化进程的加速发展，城市老工业区搬迁后遗留的污染土壤修复问题引起格外关注，特别是多环芳烃（PAHs）污染土壤的修复。PAHs具有强烈的致癌、致畸、致突变性，并多以土壤为最终载体对生态环境和人体健康造成巨大的威胁。热解吸技术是目前应用最为广泛的有机污染土壤修复技术之一。然而，其在较低修复温度下很难完全将PAHs从土壤中脱附出来，归其原因是土壤颗粒内外存在一定的温度差，且PAHs被吸附在土壤颗粒的深层孔隙和夹层内，导致PAHs热解吸效率低，逸出土壤阻力大。

微波热解吸技术是利用土壤中极性吸波介质将微波能转化为热能，土壤整体被加热到修复温度，具有加热均匀、处理时间短、加热效率高等特点。但由于土壤的弱吸波性，仅靠污染土壤中PAHs等极性物质吸波升温很难到达热修复温度，必须添加吸波介质来改变土壤整体的吸波性。除热应力外，气体冲击“侵蚀”也可破碎土壤颗粒，将PAHs从土壤颗粒表面、深层孔隙和夹层内剥离下来，并将其夹带逸出土壤。

基于此，作者以低阶煤中低温干馏所得副产品兰炭末（BC）为基体，制备了一种具有多功能的兰炭基改良剂，采用气体剥离（汽提）耦合原位氧化协助微波修复新策略，实现了较低修复温度（100~300 ℃）下热解吸对PAHs污染土壤的高效修复。该改良剂中的BC基体能较好地吸收微波能并将其转化为热能，使土壤整体均匀加热。活性组分KHCO3和MnO2能够有效剥离（汽提）吸附在深层的PAHs，并将其氧化降解，避免PAHs逸出土壤引发的二次环境污染问题，同时提高了土壤中速效钾（钾肥）含量。在“微波-汽提-氧化”协同作用下，吸附在土壤颗粒内外的PAHs最大脱除率达98.34%；PAHs被氧化降解为低毒性小分子有机物、CO2和H2O，有效降低了污染土壤的毒性。

吴雷博士作为师资博士后于2021年3月进入我校化学与化工学院工作，合作导师为周军教授。入职以来，在学校和学院大力支持下，吴雷博士以第一作者在ChemicalEngineering Journal、Journalof Cleaner Production、Fuel、WasteManagement、FuelProcessing Technology、化工学报（A类期刊）等能源化工领域知名期刊累计发表学术论文11篇（SCI一区8篇，二区2篇），授权国家专利3件、软件著作权1件。

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