清華新聞網(wǎng)1月18日電 閃速焦耳熱技術(shù)是近年來被廣泛研究的新型直接電熱技術(shù)，具有寬控溫范圍,、超快處理,、高能效、低碳排放等特點,。近日,，清華大學環(huán)境學院鄧兵課題組系統(tǒng)評述了閃速焦耳熱技術(shù)的原理、設備,、規(guī)?；M展,，以及在廢物增值利用、環(huán)境污染修復,、固相材料制備等領域的廣泛應用,，對典型應用進行了定量的生命周期分析和技術(shù)經(jīng)濟分析，并探討了未來發(fā)展方向,。
熱處理是眾多工業(yè)生產(chǎn)的基本過程,。目前，絕大部分工業(yè)加熱都依賴于化石能源燃燒,，理論上,，這些過程都可以被基于電力的加熱過程所取代，這也成為工業(yè)電氣化（Industrial Electrification）的重要組成部分,。電加熱方法涵蓋了一系列技術(shù),，例如電阻加熱、電弧加熱,、感應加熱和微波加熱等,。這些方法在能源效率、溫度范圍和加熱速度等方面各有不同,。
2020年,，研究人員首次提出了閃速焦耳加熱（Flash Joule heating）這種全新的直接電阻加熱形式，其原理是通過對目標物料施加高功率,、短時電脈沖,，使熱量直接在材料內(nèi)部快速生成，而無需通過加熱介質(zhì)進行熱傳遞,，具有極高的能源利用效率（電能轉(zhuǎn)化為熱能的效率可達到接近100%）,。與其他熱處理方法相比，閃速焦耳熱技術(shù)在高效率,、超快處理,、高能效、低碳排放等方面表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢,。清華大學助理教授鄧兵首創(chuàng)了閃速焦耳熱技術(shù)在固體廢物資源化利用和環(huán)境污染修復等領域的應用,，基于閃速焦耳熱技術(shù)開發(fā)了戰(zhàn)略關鍵金屬短流程選擇性分離回收、固體廢物升級轉(zhuǎn)化制備高價值功能材料,、危險固廢和污染土壤快速修復等一系列新原理方法,，并進行了規(guī)模化應用驗證,。
圖1. 閃速焦耳熱技術(shù)的發(fā)展,、設備,、反應器和加熱特征曲線
鄧兵等在文章中系統(tǒng)闡述了閃速焦耳熱技術(shù)的原理、設備,、規(guī)模放大,，以及在廢物增值利用、環(huán)境污染修復,、固相材料制備等領域的廣泛應用前景,。首先，文章詳細闡述了閃速焦耳熱技術(shù)的基本原理,，電力系統(tǒng)設計,，反應器設計，以及規(guī)模放大過程,；其次,，文章介紹了閃速焦耳熱技術(shù)在材料制備領域的應用，尤其是石墨烯,、碳納米管等高質(zhì)量碳材料的制備,，以及無機固相材料合成和相態(tài)控制；隨后,，文章詳述了閃速焦耳熱技術(shù)在資源回收和廢物增值利用領域的應用,，包括戰(zhàn)略關鍵金屬分離、電池回收,、無機固廢增值利用,，以及富碳固廢（塑料和生物質(zhì)）增值轉(zhuǎn)化制備功能碳材料的應用；進一步地,，文章討論了閃速焦耳熱技術(shù)在環(huán)境污染修復領域的應用,，包括土壤污染修復和PFAS等新污染物降解等；最后,，文章對閃速焦耳熱技術(shù)的典型應用進行了技術(shù)經(jīng)濟分析和生命周期分析,，證明了其在降低能耗和碳排放，節(jié)約過程成本的顯著優(yōu)勢,。作為一種清潔,、高效的熱處理技術(shù)，閃速焦耳熱已成為固廢資源化利用,、污染修復,、材料低成本制備等領域的科技熱點和學科增長點。
圖2. 閃速焦耳熱技術(shù)在金屬循環(huán)回收、污染修復、固廢升級利用等領域的應用
1月15日,，相關成果以“閃速焦耳熱用于材料制備,、廢物升級利用及環(huán)境修復”（Flash Joule heating for synthesis, upcycling and remediation）為題，發(fā)表于《自然綜述·清潔技術(shù)》（Nature Reviews Clean Technology）,。該期刊為Nature出版社旗下2025年1月開始發(fā)行的最新期刊，致力于報道清潔技術(shù)和可持續(xù)領域的重要進展,。
鄧兵為論文的第一作者,，鄧兵和美國國家工程院院士、萊斯大學教授詹姆斯·圖爾（James M.Tour）為論文的共同通訊作者,。其他主要合作者包括萊斯大學博士生盧卡斯·艾迪（Lucas Eddy）,、美國斯倫貝謝公司研究科學家凱文·懷斯（Kevin Wyss）、印度理工學院副教授錢德拉·塞卡爾·蒂瓦里（Chandra Sekhar Tiwary）等,。研究得到了國家自然科學基金,、國家重點研發(fā)計劃和清華大學科研啟動經(jīng)費等的基金支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s44359-024-00002-4
供稿：環(huán)境學院
編輯：徐子越
審核：黃思南
