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變革性低碳綠色技術,助力“雙碳”目標實現

來源:壹點網    發布時間:2023-03-06 14:28:16

——記北京科技大學冶金與生態工程學院生態系李素芹教授

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工業的飛速發展使得人民生活水平大大改善,加速實現國富民強,國家地位的提升以及探索領域的拓展,但不容忽視的是也帶來了諸如資源枯竭及生態環境惡化等弊端,特別是全球增溫問題,對現代工業的可持續發展,對人、社會及自然的和諧共生構成威脅。為此,國家提出“既要綠水青山,又要金山銀山”可持續發展戰略及2030年“碳達峰”、2060年“碳中和”“雙碳”目標,加速現代工業的生態化轉向,實現人類社會低碳綠色可持續發展。

作為名副其實的產鋼大國,中國的鋼產量從1996年的1億噸躍升至2021年的10億噸,成績斐然,同樣存在著環境污染問題需要我們認真面對。北京科技大學李素芹教授,冶金與生態工程學院生態系主任,專門從事冶金資源循環與工業生態方向的教學與科研工作20年,將循環經濟理念,工業生態學原理融于教學與科研,提倡通過延伸產業鏈、構筑工業共生網絡來治理污染,既可實現二次資源的高附加值回用,帶來一定的經濟效益,同時又可解決二次污染問題。在資源循環與工業生態方向,特別在冶金工業水處理與回用及固廢有價無提取及高值利用方面,成果顯著。主持或參加國家 973、863、國家“十三五”重大、重點專項、國基金及國際合作項目等40 余項,發表論文百余篇,專著4 部,申請專利40項(授權29項), 起草標準 2 項,省部級獎項 2 項,多項成果達“國際領先水平”。

積極開拓,推進冶金用水低碳綠色處理

首次提出“鋼鐵工業用水全生命周期集約化控制”思想,起草G B/T 30887-2014及T/CISA 122-2021標準,引領和推動行業節水;首創“基于生物膜生物強化的焦化廢水短程綠色低成本處理技術”,開發焦化廢水專用菌,自養反硝化,不稀釋(COD≥5000mg/L、氨氮≥300mg/L)、無外加營養源即可達COD、氨氮脫除率98、99%,出水達GB16171-12表3回用要求,已工程應用;開發“超導耦合低碳綠色水處理技術”,無藥劑添加下可實現SS高效脫除,重金屬廢水As、Ni離子等高效脫除。作為“十三五”重大水專項標志性成果,實現綠色供水及循環水阻垢緩蝕、生物粘泥控制,節水、節能。

技術發明一:超導耦合凈循環水低碳綠色處理技術

支持該發明的授權知識產權:授權發明專利2項,物化-超導HGMS耦合工藝凈循環水系統生物粘泥控制方法(授權號:ZL201910642703.7);物化-超導HGMS耦合工藝凈循環水系統阻垢方法(授權號:ZL201910644597.6);授權國際發明專利(澳大利亞),A scale inhibition method for a physicochemical -superconducting HGMS coupled process clean circulating water system(授權號:AU2020102218);申請美國發明專利,已進入實審階段(申請號:US16920643);經專業機構評價(中科評字【2020】第4225號),研究成果達“國際領先”水平;論文發表在SCI TOTAL ENVIRON一區TOP期刊,引起反響。旁證材料見必要附件目錄。

本項技術發明:在國家“十三五”重大科技專項支持下,開發了超導耦合凈循環水低碳綠色處理技術,實現了阻垢/抑垢及生物粘泥有效控制及理論上的重大突破,闡明了超導高強磁下的磁絮凝、晶格轉變及締合作用基本理論及生物粘泥控制原理,且高效、低碳、綠色。

(1)開發了超導耦合循環水低碳綠色處理成套關鍵技術,自主設計并成功搭建了適用于實驗和工業化應用的實驗平臺,即超導高強磁場-物化耦合循環水阻垢/抑垢及生物粘泥控制實驗系統。首次將超導高強磁場用于凈環水處理,探明了“最佳”工藝條件,并成功應用于制氧廠凈環水系統阻垢和生物粘泥脫除,實現了凈環水系統水質高效處理。

(2)探明了磁感應強度、處理時間和流速等影響因素的交互影響機制,揭示了超導高強磁場對成垢離子及水垢晶型轉變的作用機理,形成超導高強磁場-物化耦合循環水阻垢緩蝕關鍵技術,實現循環水中成垢離子高效脫除(去除率大于95%),避免因硬度過高導致的結垢腐蝕現象發生;通過締合及晶型轉變(晶格畸變)的作用穩定水質,減緩硬垢及復合垢形成;實現了循環水中成垢離子有效控制,為該技術推廣應用提供了科學依據和理論基礎。

(3)開發了超導耦合凈循環水系統生物粘泥控制技術,研究闡明通過超導高強磁場、無機高效絮凝等交互作用,可實現循環水中微納米有機/無機顆粒的高效脫除、殺菌滅藻,阻斷了生物粘泥生成條件;揭示了超導耦合技術生物粘泥控制作用機制,開辟了超導耦合技術生物粘泥控制新途徑。該成套關鍵技術為有效解決循環水系統生物粘泥滋生、影響換熱效果這一世界性難題提供了科學依據及理論支撐,節能、節水,低碳綠色。

技術發明二:環境友好型重金屬廢水處理技術

支持該發明的授權知識產權:授權發明專利5項,超導HGMS-FeOOH耦合工藝處理重金屬廢水的方法(授權號:ZL201310664735.X);超導HGMS-NZVI耦合工藝處理重金屬廢水的方法(授權號:ZL201310665185.3);超導HGMS-負載Fe吸附耦合工藝處理重金屬廢水的方法(授權號:ZL201310664861.5);超導HGMS-活性炭耦合工藝處理重金屬廢水的方法(授權號:ZL201310666381.2);一種制備納米α-Fe2O3的方法(授權號:CN109987640B)。經專業機構評價(中科評字【2020】第4225號),相關研究成果達“國際領先”水平;論文發表在SEP PURIF TECHNOL、APPL SURF SCI、J CLEAN PROD等一區TOP期刊,推薦“International Best researcher Award 2022”。具體旁證材料見必要附件目錄。

本項技術發明:開發了超導耦合高級氧化-磁絮凝技術與固廢制備納米材料用于解毒重金屬離子技術,闡明了冶金工業廢水重金屬砷的脫除機制,實現了技術及理論上的重大突破。

(1)通過絮凝-氧化-超導HGMS耦合技術,實現了酸性條件下重金屬廢水中砷離子的有效脫除,確定砷離子的最佳去除條件,揭示了超導高強磁場下重金屬離子脫除過程中高級氧化、磁捕集-磁絮凝交互作用影響機制,形成了超導HGMS-高級氧化耦合重金屬廢水處理成套關鍵技術。

(2)超導HGMS技術耦合零價鐵、羰基鐵及活性炭等技術,分析了超導高梯度磁場中吸附劑吸附重金屬的動力學行為和受力情況,建立了粒子運動軌跡模型,確定重金屬離子最佳去除工藝參數,揭示吸附劑與重金離子物理化學反應過程中去除機制,開辟了超導HGMS耦合技術對重金屬離子的降解新途徑,實現了重金屬廢水中96.01%以上的砷脫除率。

(3)無溶劑法固廢綠色制備納米α-Fe2O3及Cr(VI)高效脫除技術,探究了納米ɑ-Fe2O3合成過程熱力學及動力學機制,闡明了納米α-Fe2O3的構-效關系;開展了納米α-Fe2O3高效處理含Cr(VI)廢水,揭示了納米α-Fe2O3結構特性與Cr(VI)去除效果間交互作用機制,實現了重金屬廢水中98.21%以上的Cr(VI)去除率。

(4)一步堿激法合成納米鐵基CSH凝膠處置含砷廢水技術,研究了納米鐵基CSH凝膠合成構-效關系,探索了納米鐵基CSH凝膠除砷離子工藝中反應時間、初始pH、吸附劑用量等參數對除砷效率的影響規律,為納米鐵基CSH凝膠處置含砷廢水工業應用提供科學基礎及技術支撐。

技術發明三:生物膜生物強化-高效絮凝低成本短程綠色處理技術

支持該發明的授權知識產權:授權發明專利3項,一種生物膜生物強化焦化廢水高效處理方法(授權號:ZL201110058353.3),一種生物膜法處理焦化廢水的工藝(授權號:ZL200910089207.X),一種聚硅酸硫酸硼酸鐵鋅復合凝聚劑(授權號:ZL201110029021.2);論文在J HAZARD MATER、BIORESOURCE TECHNOL一區TOP期刊發表,在國內外引起反響,被Science Father推薦“The Best Researcher”獎評審。

本項技術發明:發明了生物強化生物膜焦化廢水高效處理技術,以自主分離、馴化、培養高效菌株( ZF-3)核心,開發生物濾池-生物循環流化床系統(BF-BFB),實現了焦化廢水COD、NH4+-N的同步高效去除。

(1)自主分離、馴化、培養具有強化焦化廢水COD降解的高效降解菌( ZF-3)。研究發現高效菌株 ZF-3對焦化廢水中酚類化合物和雜環化合物具有良好的生物降解性能,苯酚和吲哚可分別作為 ZF-3生長碳源,充分證明高效菌株 ZF-3在焦化廢水有機污染物降解方面具有良好的生物強化潛力。其相關成果在BIORESOURCE TECHNOL, 2020發表。

(2)以高效菌 ZF-3為核心,自主開發生物濾池-生物循環流化床系統(BF-BFB),成功應用于實際焦化廢水處理試驗研究。結果表明,COD和NH4+-N去除率分別達到94%和98%,并同步實現酚類、雜環類和多環芳烴等主要污染物的有效去除。研究發現,可形成以高效菌ZF-3為主的微生態體系,充分利用生物菌的生化性能,實現了BF-BFB系統低成本、高效同步去除焦化廢水COD和NH4+-N的突破,解決工業生產過程中水質波動或季節變換帶來的二級生化系統處理能力下降等技術難題,為焦化廢水的處理提供了一種新的選擇。相關成果在J HAZARD MATER, 2020,發表。

(3)自主研發系列新型高效復合絮凝劑(PFASSB、PFZSSB等),與生物膜強化技術匹配使用,生物強化-高效絮凝工藝可實現焦化廢水低成本短程綠色處理。處理后的水達到《煉焦化學工業污染物排放標準》(GB16171-2012)表3回用要求,可用于洗煤、高爐沖渣及燜渣等流程。高效復合絮凝劑具有較強的膠體破壞力及吸附架橋功能,特別適用于焦化廢水深度處理,COD去除率50%以上,可降解,無二次污染。

生物膜生物強化技術與高效絮凝技術匹配,可實現焦化廢水低成本短程綠色處理,充分發揮鋼鐵行業消納作用,直接用于沖渣、燜渣等用途;對于RO反滲透長流程水處理工藝,SDI指數的降低(SDI≤2),可降低RO處理壓力,提高RO膜壽命,進一步節能、降成本,低碳綠色。

變革性低碳綠色冶金,助力“雙碳”目標實現

技術發明一:超導耦合顛覆性尾礦硅鐵元素分離提純技術

首次將超導耦合技術用于鐵尾礦等固廢SiO2提純副產鐵精粉,提純后SiO2品位達99.9%以上,最高99.99%以上,直接尾礦減量40-50%以上,副產鐵精粉3%以上。外場輔助下的“無氟多元混合酸” 浸出技術,從源頭解決了氟離子污染問題,有效實現高純SiO2綠色制備。余料微粉可做建筑材料,整個過程可以做到物盡其用,在資源化利用同時生態環境效益顯著,可緩解全國80多億噸鐵尾礦的占地、污染及潰壩安全等隱患。同時,高純SiO2可用于微晶玻璃、光伏、光纖甚至半導體芯片等高端應用,緩解國內優質石英礦源不足,對外依存嚴重等問題。該顛覆性技術低碳綠色,填補了世界空白,達國際領先水平。不僅達到常規磁難以企及的功效,還節能90%以上,低碳綠色,助力“雙碳”目標的實現。

技術發明二:基于固廢原料的環境友好型材料制備高值利用技術

開發用冶金含鐵塵/泥綠色制備α-Fe2O3、納米α-Fe2O3、納米Fe3O4技術以及無溶劑法尾礦制備ZSM-5分子篩技術,綠色工藝,以廢治廢,效益顯著。

期待及展望

李素芹教授表示,遵循循環經濟理念,用工業生態學原理用于教學與科研,她本人受益匪淺。她希望能夠逐漸應用于工業實踐,通過全生命周期集約化控制來解決污染問題,倡導研發或采用綠色低碳處理關鍵技術,實現科學節能節水、固廢的高值化利用,既可帶來顯著的經濟效益,同時又可解決環境污染問題,一舉多得。

李素芹教授堅信,新的理念有利于加速現代工業從工業文明向生態文明的轉向,經濟的可持續綠色發展,人與自然及社會的和諧共生。

冶金行業女性科研工作者鳳毛麟角,李素芹教授酷愛冶金行業,特別是工業生態方向,她傾心栽種的科研之樹上已結滿碩果。李素芹教授表示,科研之路沒有止境,展望未來,她將繼往開來,攀登新的高峰,為實現我國綠色低碳發展,“雙碳”目標的實現做出更大貢獻。

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