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变废为宝 为地球“护肤” ——我校牵头项目“农林废弃物快速热解创制腐植酸环境材料及其应用”获国家技术发明二等奖
发布时间:2021-11-23 17:30:08点击数:字号:
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教师 田原宇 审核人 新闻中心总编室

田原宇教授代表项目组在人民大会堂领取获奖证书

土壤,地球脆弱又珍贵的“皮肤”,是陆地上所有生命之源,面临着不断退化的危机。我国高达55亿亩退化土壤如何修复,年产约13.5亿吨的农林废弃物如何高效利用,是两个世界级难题,成为挡在我国实现“双碳”目标和乡村振兴路上的两只“拦路虎”。

现在有一种整体技术,能够同时降服两只“拦路虎”,变废为宝,为地球“护肤”。该技术不仅取得了多项世界首创成果,还成功实现了工业化应用,系列产品3年来已修复土壤1000万亩,新增经济效益38亿元,受到国家农业农村部青睐,正在进行全国推广应用。这项整体技术就是我校化学工程学院田原宇教授负责研究的“农林废弃物快速热解创制腐植酸环境材料及其应用”项目。

2021年11月3日,2020年度国家科学技术奖励大会在人民大会堂隆重举行,“农林废弃物快速热解创制腐植酸环境材料及其应用”项目以总体技术处于国际领先水平并成功工业化应用的贡献,获国家技术发明二等奖,项目负责人、化学工程学院田原宇教授代表项目组在人民大会堂领取获奖证书。

首创农林废弃物制取生物腐植酸

田原宇教授极具创新思维和前瞻意识,他在研究中发现,一方面大量农林废弃物因缺乏大规模高值利用技术,导致露天焚烧产生环境污染和资源浪费,另一方面数字巨大的退化土壤修复亟需国际公认的绿色高效土壤修复环境材料——腐植酸。

能不能把二者创造性地结合起来?田原宇带着这样的思索,2003年组建团队开始相关研究。

“他发自内心地喜欢科研,不断思考本领域的国际前沿和难点,直到找出解决方法。他与课题组成员深入交流,并将每位成员的研究领域有机结合,共同创新。”团队成员、化学工程学院乔英云教授表示。

田原宇团队原创性提出“快速热解过程控氧控灰”思路,首创农林废弃物自混合下行循环床快速热解成套技术,在国内外率先解决了高纯度高活性生物腐植酸高效制取难题。

“与国际上现存的多种生物质快速热解技术均以制取液体燃料相反,快速热解制取腐植酸要求最大化保留氧以提高产品活性,大大降低生产成本。”田原宇介绍。

团队技术取得了多个突破,液体收率和氧含量高,原子经济性好,实现了原料吃干榨净、过程无难处理的三废排放;活性官能团比现有腐植酸高3倍以上,成本却只有现有腐植酸的五分之一,并在国际上首次实现固体有机物快速热解的液体含灰由≥10%降至≤0.1%。

该技术破解了我国优质矿源腐植酸资源匮乏的难题,为我国工农业生产和环境治理修复提供了优质廉价、高纯高活性腐植酸原料。

首创高纯高活性生物腐植酸工业化

为了早日实现科技成果转化,田原宇团队发明了自混合下行循环床快速热解装备及系列专有关键设备,首次实现农林废弃物制取高纯高活性生物腐植酸的工业化,为农林废弃物进行大宗高值利用创造了战略契机。

“农林废弃物快速热解制取腐植酸工业化生产在世界上我们是唯一的,独此一家,别无分号。”田原宇自豪地说。为了让研究从“实验室”尽快走向“生产车间”,到实际应用,他一年三分之二以上的时间都“泡”在实验室和工业现场。

“田老师时刻关注企业生产项目实施情况,时常前往生产一线细致了解生产情况,与工人交流,第一时间汇总生产过程中的问题,与企业共同商讨解决方案,推动项目落地实施。”课题团队的化学工程与技术专业2018级博士研究生李杰多次与田原宇一同前往中试企业考察。

习近平总书记在黄河三角洲农业高新技术产业示范区的盐碱地现代农业试验示范基地考察时强调,黄河三角洲无论是生态保护还是农业开发,都有战略意义。

2012年,经过团队的努力,世界单套规模最大的20万吨/年工业化装置在位于黄河三角洲的东营市广饶县建成,装置一次开车成功,多年连续稳定经济运行。该项目积极响应总书记号召,目前正为东营市在盐碱地特色种业、盐碱地生物农业等方面的探索实践提供强大技术支撑。

“装置解决了影响生物质热解中的油中带灰、产品高含水、油气结焦堵塞和半焦载体异重返料等影响工业放大和长周期运行的十大难题,成果具有自主知识产权,达到国际领先水平。”中国工程院院士金涌教授、中国科学院院士费维扬教授作为评审专家对农林废弃物制取生物腐植酸新工艺和装置给予了高度评价。

目前利用团队工艺技术的运行装备已达5套,相关产能占全球生物质快速热解产能的80%以上。

首创污染退化土壤可持续修复

当前碳中和背景下,退化土壤修复是任重道远、极具挑战性的世界性难题。污染退化土壤包括重金属污染、盐碱化、沙化等多种复杂类型,修复条件、要求和目标各不相同。

“腐植酸被称为‘土壤生态环境可持续发展的生命源泉’,可以促进土壤中微生物生长,促进土壤团粒化,增加孔隙度等,形成良好土壤环境,提高作物产量。”田原宇介绍。

团队将化学工程、环境保护、农业三大主要领域知识进行“交叉融合”,用团队的生物腐植酸创制了重金属污染土壤修复剂、盐碱地改良剂、可降解腐植酸地膜等系列高值靶向腐植酸环境材料,攻克了污染退化土壤可持续修复的世界性难题。

团队首次提出盐碱地生物腐植酸治理、生态可持续改良的新方法,从源头解决了土壤盐碱化难题,土壤团粒量提高≥130%、生物活性提高≥30%,实现当年改当年种当年收益,成本不到其他成熟技术的30%。

“修复反应速度快、使用方便、成本低,无二次污染,一次修复、持续有效。”田原宇介绍,2013年以来,腐植酸盐碱土壤改良剂在山东、吉林和内蒙古等地进行了近10万亩盐碱地改良修复应用示范,成功种植玉米、竹柳、甜高粱和葡萄,土壤各项指标正常,增产效果显著。

“团队和企业合作生产的‘澳佳’含腐植酸复合肥料等产品应用到了莱西、平度等地的生姜、西红柿、花生、桃的生产,提质增产效果非常好,其中生姜产量增加了一倍。”田原宇介绍。

在国际上首次实现铬污染土壤修复技术的工业化。团队利用靶向腐植酸修复剂对济南裕兴化工厂铬污染土壤和山东腾药危废公司含铬底泥进行处理,经国际通标公司检测,脱毒≥99.92%,修复后直接种植作物,长势良好,实现修复后即可种植,污染不反弹。

“农林废弃物快速热解创制腐植酸环境材料及其应用”项目授权发明专利38件,其中美国专利7件,涵盖工艺、核心装备和腐植酸环境材料,形成核心专利保护池,总体技术处于国际领先水平。

项目系列产品已在山东、吉林和甘肃等20多个省市示范和推广应用。近三年仅其中二家企业新增产值3.95亿元、增收节支38.3亿元以上,社会和环境效益显著。

项目系列成果获2020年国家技术发明二等奖1项,山东省、中国石化联合会等一等奖4项,中国技术市场协会金桥奖1项,发表论文47篇、出版专著1本,起草行业/团体标准(意见征求稿)5项。

项目目前正在紧锣密鼓地进行装置及产品质量标准化建设、人员培训和技术推广应用等方面的工作。

鉴于系列靶向腐植酸环境材料的显著成效,2019年中国石油大学(华东)成为与农业农村部耕地保护中心“全国净土行动”签订战略合作协议的首家高校,为推动生物质大宗清洁高效高值化利用和土壤绿色修复提供了强大的技术支撑,为我国“双碳”目标实现和乡村振兴做出了重要贡献。

【 作者:王大勇 吴尧 杨相宜 来自:中国石油大学报  责任编辑:李卓霖 审核:新闻中心总编室】

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