清華新聞網(wǎng)1月18日電 閃速焦耳熱技術(shù)是近年來(lái)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(diǎn)。近日，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院鄧兵課題組系統(tǒng)評(píng)述了閃速焦耳熱技術(shù)的原理、設(shè)備、規(guī)模化進(jìn)展，以及在廢物增值利用、環(huán)境污染修復(fù)、固相材料制備等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對(duì)典型應(yīng)用進(jìn)行了定量的生命周期分析和技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，并探討了未來(lái)發(fā)展方向。
熱處理是眾多工業(yè)生產(chǎn)的基本過(guò)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(guò)程都可以被基于電力的加熱過(guò)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(yīng)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(guò)對(duì)目標(biāo)物料施加高功率、短時(shí)電脈沖，使熱量直接在材料內(nèi)部快速生成，而無(wú)需通過(guò)加熱介質(zhì)進(jìn)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(dá)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(shì)。清華大學(xué)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(fù)等領(lǐng)域的應(yīng)用，基于閃速焦耳熱技術(shù)開發(fā)了戰(zhàn)略關(guān)鍵金屬短流程選擇性分離回收、固體廢物升級(jí)轉(zhuǎn)化制備高價(jià)值功能材料、危險(xiǎn)固廢和污染土壤快速修復(fù)等一系列新原理方法，并進(jìn)行了規(guī)模化應(yīng)用驗(yàn)證。
圖1. 閃速焦耳熱技術(shù)的發(fā)展、設(shè)備、反應(yīng)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(shè)備、規(guī)模放大，以及在廢物增值利用、環(huán)境污染修復(fù)、固相材料制備等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景。首先，文章詳細(xì)闡述了閃速焦耳熱技術(shù)的基本原理，電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)，反應(yīng)器設(shè)計(jì)，以及規(guī)模放大過(guò)程；其次，文章介紹了閃速焦耳熱技術(shù)在材料制備領(lǐng)域的應(yīng)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(wú)機(jī)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(lǐng)域的應(yīng)用，包括戰(zhàn)略關(guān)鍵金屬分離、電池回收、無(wú)機(jī)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(yīng)用；進(jìn)一步地，文章討論了閃速焦耳熱技術(shù)在環(huán)境污染修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用，包括土壤污染修復(fù)和PFAS等新污染物降解等；最后，文章對(duì)閃速焦耳熱技術(shù)的典型應(yīng)用進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(guò)程成本的顯著優(yōu)勢(shì)。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(fù)、材料低成本制備等領(lǐng)域的科技熱點(diǎn)和學(xué)科增長(zhǎng)點(diǎn)。
圖2. 閃速焦耳熱技術(shù)在金屬循環(huán)回收、污染修復(fù)、固廢升級(jí)利用等領(lǐng)域的應(yīng)用
1月15日，相關(guān)成果以“閃速焦耳熱用于材料制備、廢物升級(jí)利用及環(huán)境修復(fù)”（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(bào)道清潔技術(shù)和可持續(xù)領(lǐng)域的重要進(jìn)展。
鄧兵為論文的第一作者，鄧兵和美國(guó)國(guó)家工程院院士、萊斯大學(xué)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(xué)博士生盧卡斯·艾迪（Lucas Eddy）、美國(guó)斯倫貝謝公司研究科學(xué)家凱文·懷斯（Kevin Wyss）、印度理工學(xué)院副教授錢德拉·塞卡爾·蒂瓦里（Chandra Sekhar Tiwary）等。研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和清華大學(xué)科研啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)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(xué)院
編輯：徐子越
審核：黃思南
