变革性低碳绿色技术,助力“双碳”目标实现

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2023-03-07
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  ——记北京科技大学冶金与生态工程学院生态系李素芹教授

  工业的飞速发展使得人民生活水平大大改善,加速实现国富民强,国家地位的提升以及探索领域的拓展,但不容忽视的是也带来了诸如资源枯竭及生态环境恶化等弊端,特别是全球增温问题,对现代工业的可持续发展,对人、社会及自然的和谐共生构成威胁。为此,国家提出“既要绿水青山,又要金山银山”可持续发展战略及2030年“碳达峰”、2060年“碳中和”“双碳”目标,加速现代工业的生态化转向,实现人类社会低碳绿色可持续发展。

  作为名副其实的产钢大国,中国的钢产量从1996年的1亿吨跃升至2021年的10亿吨,成绩斐然,同样存在着环境污染问题需要我们认真面对。北京科技大学李素芹教授,冶金与生态工程学院生态系主任,专门从事冶金资源循环与工业生态方向的教学与科研工作20年,将循环经济理念,工业生态学原理融于教学与科研,提倡通过延伸产业链、构筑工业共生网络来治理污染,既可实现二次资源的高附加值回用,带来一定的经济效益,同时又可解决二次污染问题。在资源循环与工业生态方向,特别在冶金工业水处理与回用及固废有价无提取及高值利用方面,成果显著。主持或参加国家 973、863、国家“十三五”重大、重点专项、国基金及国际合作项目等40 余项,发表论文百余篇,专著4 部,申请专利40项(授权29项), 起草标准 2 项,省部级奖项 2 项,多项成果达“国际领先水平”。

  积极开拓,推进冶金用水低碳绿色处理

  首次提出“钢铁工业用水全生命周期集约化控制”思想,起草G B/T 30887-2014及T/CISA 122-2021标准,引领和推动行业节水;首创“基于生物膜生物强化的焦化废水短程绿色低成本处理技术”,开发焦化废水专用菌,自养反硝化,不稀释(COD≥5000mg/L、氨氮≥300mg/L)、无外加营养源即可达COD、氨氮脱除率98、99%,出水达GB16171-12表3回用要求,已工程应用;开发“超导耦合低碳绿色水处理技术”,无药剂添加下可实现SS高效脱除,重金属废水As、Ni离子等高效脱除。作为“十三五”重大水专项标志性成果,实现绿色供水及循环水阻垢缓蚀、生物粘泥控制,节水、节能。

  技术发明一:超导耦合净循环水低碳绿色处理技术

  支持该发明的授权知识产权:授权发明专利2项,物化-超导HGMS耦合工艺净循环水系统生物粘泥控制方法(授权号:ZL201910642703.7);物化-超导HGMS耦合工艺净循环水系统阻垢方法(授权号:ZL201910644597.6);授权国际发明专利(澳大利亚),A scale inhibition method for a physicochemical -superconducting HGMS coupled process clean circulating water system(授权号:AU2020102218);申请美国发明专利,已进入实审阶段(申请号:US16920643);经专业机构评价(中科评字【2020】第4225号),研究成果达“国际领先”水平;论文发表在SCI TOTAL ENVIRON一区TOP期刊,引起反响。旁证材料见必要附件目录。

  本项技术发明:在国家“十三五”重大科技专项支持下,开发了超导耦合净循环水低碳绿色处理技术,实现了阻垢/抑垢及生物粘泥有效控制及理论上的重大突破,阐明了超导高强磁下的磁絮凝、晶格转变及缔合作用基本理论及生物粘泥控制原理,且高效、低碳、绿色。

  (1)开发了超导耦合循环水低碳绿色处理成套关键技术,自主设计并成功搭建了适用于实验和工业化应用的实验平台,即超导高强磁场-物化耦合循环水阻垢/抑垢及生物粘泥控制实验系统。首次将超导高强磁场用于净环水处理,探明了“最佳”工艺条件,并成功应用于制氧厂净环水系统阻垢和生物粘泥脱除,实现了净环水系统水质高效处理。

  (2)探明了磁感应强度、处理时间和流速等影响因素的交互影响机制,揭示了超导高强磁场对成垢离子及水垢晶型转变的作用机理,形成超导高强磁场-物化耦合循环水阻垢缓蚀关键技术,实现循环水中成垢离子高效脱除(去除率大于95%),避免因硬度过高导致的结垢腐蚀现象发生;通过缔合及晶型转变(晶格畸变)的作用稳定水质,减缓硬垢及复合垢形成;实现了循环水中成垢离子有效控制,为该技术推广应用提供了科学依据和理论基础。

  (3)开发了超导耦合净循环水系统生物粘泥控制技术,研究阐明通过超导高强磁场、无机高效絮凝等交互作用,可实现循环水中微纳米有机/无机颗粒的高效脱除、杀菌灭藻,阻断了生物粘泥生成条件;揭示了超导耦合技术生物粘泥控制作用机制,开辟了超导耦合技术生物粘泥控制新途径。该成套关键技术为有效解决循环水系统生物粘泥滋生、影响换热效果这一世界性难题提供了科学依据及理论支撑,节能、节水,低碳绿色。

  技术发明二:环境友好型重金属废水处理技术

  支持该发明的授权知识产权:授权发明专利5项,超导HGMS-FeOOH耦合工艺处理重金属废水的方法(授权号:ZL201310664735.X);超导HGMS-NZVI耦合工艺处理重金属废水的方法(授权号:ZL201310665185.3);超导HGMS-负载Fe吸附耦合工艺处理重金属废水的方法(授权号:ZL201310664861.5);超导HGMS-活性炭耦合工艺处理重金属废水的方法(授权号:ZL201310666381.2);一种制备纳米α-Fe2O3的方法(授权号:CN109987640B)。经专业机构评价(中科评字【2020】第4225号),相关研究成果达“国际领先”水平;论文发表在SEP PURIF TECHNOL、APPL SURF SCI、J CLEAN PROD等一区TOP期刊,推荐“International Best researcher Award 2022”。具体旁证材料见必要附件目录。

  本项技术发明:开发了超导耦合高级氧化-磁絮凝技术与固废制备纳米材料用于解毒重金属离子技术,阐明了冶金工业废水重金属砷的脱除机制,实现了技术及理论上的重大突破。

  (1)通过絮凝-氧化-超导HGMS耦合技术,实现了酸性条件下重金属废水中砷离子的有效脱除,确定砷离子的最佳去除条件,揭示了超导高强磁场下重金属离子脱除过程中高级氧化、磁捕集-磁絮凝交互作用影响机制,形成了超导HGMS-高级氧化耦合重金属废水处理成套关键技术。

  (2)超导HGMS技术耦合零价铁、羰基铁及活性炭等技术,分析了超导高梯度磁场中吸附剂吸附重金属的动力学行为和受力情况,建立了粒子运动轨迹模型,确定重金属离子最佳去除工艺参数,揭示吸附剂与重金离子物理化学反应过程中去除机制,开辟了超导HGMS耦合技术对重金属离子的降解新途径,实现了重金属废水中96.01%以上的砷脱除率。

  (3)无溶剂法固废绿色制备纳米α-Fe2O3及Cr(VI)高效脱除技术,探究了纳米ɑ-Fe2O3合成过程热力学及动力学机制,阐明了纳米α-Fe2O3的构-效关系;开展了纳米α-Fe2O3高效处理含Cr(VI)废水,揭示了纳米α-Fe2O3结构特性与Cr(VI)去除效果间交互作用机制,实现了重金属废水中98.21%以上的Cr(VI)去除率。

  (4)一步碱激法合成纳米铁基CSH凝胶处置含砷废水技术,研究了纳米铁基CSH凝胶合成构-效关系,探索了纳米铁基CSH凝胶除砷离子工艺中反应时间、初始pH、吸附剂用量等参数对除砷效率的影响规律,为纳米铁基CSH凝胶处置含砷废水工业应用提供科学基础及技术支撑。

  技术发明三:生物膜生物强化-高效絮凝低成本短程绿色处理技术

  支持该发明的授权知识产权:授权发明专利3项,一种生物膜生物强化焦化废水高效处理方法(授权号:ZL201110058353.3),一种生物膜法处理焦化废水的工艺(授权号:ZL200910089207.X),一种聚硅酸硫酸硼酸铁锌复合凝聚剂(授权号:ZL201110029021.2);论文在J HAZARD MATER、BIORESOURCE TECHNOL一区TOP期刊发表,在国内外引起反响,被Science Father推荐“The Best Researcher”奖评审。

  本项技术发明:发明了生物强化生物膜焦化废水高效处理技术,以自主分离、驯化、培养高效菌株( ZF-3)核心,开发生物滤池-生物循环流化床系统(BF-BFB),实现了焦化废水COD、NH4+-N的同步高效去除。

  (1)自主分离、驯化、培养具有强化焦化废水COD降解的高效降解菌( ZF-3)。研究发现高效菌株 ZF-3对焦化废水中酚类化合物和杂环化合物具有良好的生物降解性能,苯酚和吲哚可分别作为 ZF-3生长碳源,充分证明高效菌株 ZF-3在焦化废水有机污染物降解方面具有良好的生物强化潜力。其相关成果在BIORESOURCE TECHNOL, 2020发表。

  (2)以高效菌 ZF-3为核心,自主开发生物滤池-生物循环流化床系统(BF-BFB),成功应用于实际焦化废水处理试验研究。结果表明,COD和NH4+-N去除率分别达到94%和98%,并同步实现酚类、杂环类和多环芳烃等主要污染物的有效去除。研究发现,可形成以高效菌ZF-3为主的微生态体系,充分利用生物菌的生化性能,实现了BF-BFB系统低成本、高效同步去除焦化废水COD和NH4+-N的突破,解决工业生产过程中水质波动或季节变换带来的二级生化系统处理能力下降等技术难题,为焦化废水的处理提供了一种新的选择。相关成果在J HAZARD MATER, 2020,发表。

  (3)自主研发系列新型高效复合絮凝剂(PFASSB、PFZSSB等),与生物膜强化技术匹配使用,生物强化-高效絮凝工艺可实现焦化废水低成本短程绿色处理。处理后的水达到《炼焦化学工业污染物排放标准》(GB16171-2012)表3回用要求,可用于洗煤、高炉冲渣及焖渣等流程。高效复合絮凝剂具有较强的胶体破坏力及吸附架桥功能,特别适用于焦化废水深度处理,COD去除率50%以上,可降解,无二次污染。

  生物膜生物强化技术与高效絮凝技术匹配,可实现焦化废水低成本短程绿色处理,充分发挥钢铁行业消纳作用,直接用于冲渣、焖渣等用途;对于RO反渗透长流程水处理工艺,SDI指数的降低(SDI≤2),可降低RO处理压力,提高RO膜寿命,进一步节能、降成本,低碳绿色。

  变革性低碳绿色冶金,助力“双碳”目标实现

  技术发明一:超导耦合颠覆性尾矿硅铁元素分离提纯技术

  首次将超导耦合技术用于铁尾矿等固废SiO2提纯副产铁精粉,提纯后SiO2品位达99.9%以上,最高99.99%以上,直接尾矿减量40-50%以上,副产铁精粉3%以上。外场辅助下的“无氟多元混合酸” 浸出技术,从源头解决了氟离子污染问题,有效实现高纯SiO2绿色制备。余料微粉可做建筑材料,整个过程可以做到物尽其用,在资源化利用同时生态环境效益显著,可缓解全国80多亿吨铁尾矿的占地、污染及溃坝安全等隐患。同时,高纯SiO2可用于微晶玻璃、光伏、光纤甚至半导体芯片等高端应用,缓解国内优质石英矿源不足,对外依存严重等问题。该颠覆性技术低碳绿色,填补了世界空白,达国际领先水平。不仅达到常规磁难以企及的功效,还节能90%以上,低碳绿色,助力“双碳”目标的实现。

  技术发明二:基于固废原料的环境友好型材料制备高值利用技术

  开发用冶金含铁尘/泥绿色制备α-Fe2O3、纳米α-Fe2O3、纳米Fe3O4技术以及无溶剂法尾矿制备ZSM-5分子筛技术,绿色工艺,以废治废,效益显著。

  期待及展望

  李素芹教授表示,遵循循环经济理念,用工业生态学原理用于教学与科研,她本人受益匪浅。她希望能够逐渐应用于工业实践,通过全生命周期集约化控制来解决污染问题,倡导研发或采用绿色低碳处理关键技术,实现科学节能节水、固废的高值化利用,既可带来显著的经济效益,同时又可解决环境污染问题,一举多得。

  李素芹教授坚信,新的理念有利于加速现代工业从工业文明向生态文明的转向,经济的可持续绿色发展,人与自然及社会的和谐共生。

  冶金行业女性科研工作者凤毛麟角,李素芹教授酷爱冶金行业,特别是工业生态方向,她倾心栽种的科研之树上已结满硕果。李素芹教授表示,科研之路没有止境,展望未来,她将继往开来,攀登新的高峰,为实现我国绿色低碳发展,“双碳”目标的实现做出更大贡献。

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