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中国工程院院士吴明红:用减污降碳新科技守护绿水青山

2022-12-23   知领   阅读量:183

    ◆ 在独创独有上下功夫,在脚踏实地上做文章,在广度深度上求突破,推动先进环境功能材料体系的创新与发展,力争先进环境功能材料在减污降碳协同增效应用中的不断突破,为我国“双碳”目标实现与生态文明建设作贡献

    中国工程院院士、上海大学有机复合污染控制工程教育部重点实验室主任吴明红,长期面向环境保护与生态文明建设这一国家重大战略需求,将多介质环境协同保护与综合治理作为主攻方向进行技术攻关,率先在工业源挥发性有机物治理、室内复合污染高效治理和特种工业废水治理研究领域,取得了一系列突破性的成果。

    深耕研究领域20多年,她带领团队率先提出先进材料的尺寸、表面、层间调控技术方法,设计和研发了“石墨烯基”高性能环境功能材料体系,通过皮秒级光电子转移、界面π-π吸附、离子插层等技术手段,实现了功能材料对环境污染物的高效催化、选择吸附和精准筛分。

    今后,可借助先进功能材料的结构微调控方法,针对环境多介质复合污染协同治理的难点,进一步发展与完善高性能环境功能材料体系,实现复合污染物的高效去除及治理工程应用,这对于有效应对“双碳”战略下减污降碳、协同增效的重大需求具有重要意义。

中国工程院院士

吴明红

    【功能材料为环境治理提供新途径】

    ▍《瞭望》:从你的研究领域看,研究方向如何与国家“双碳”战略契合?

    吴明红:优化协调减排和治理过程,减少碳排放和能源消耗,达到减污降碳协同增效,是环境保护领域实现“双碳”目标的有效途径。在环境治理与生态修复领域,减少污染的源头排放、加强污染的治理力度是污染控制与修复的主要方式。

    尤其是在加强多介质复合污染协同治理方面,一直面临重大挑战。一方面是因为多介质复合污染成分复杂,具有有机污染物、无机污染物、高分子化合物、重金属等,同时各污染物之间相互作用还会形成耦合、螯合等复合污染物。另一方面是多介质复合污染危害性大,苯环、杂环等有机物稳定性强、毒性高、难以降解,对环境安全和人体健康造成严重威胁。

    环境功能材料因其优异的纳米隧道效应、光电化学性能、可调的减污降碳功能以及满足环境多介质复合污染治理需求的特性,为减污降碳协同增效背景下的环境治理,提供了新方法、开辟了新途径。

    一方面,可以通过开发“污染治理”与“节能降耗”兼具的环境功能材料体系,实现对污染物的高效吸附、动态催化降解与选择性资源化筛分。

    另一方面,可以通过开发“温室碳捕获”与“新能源开发”并举的环境功能材料技术体系,实现对二氧化碳、甲烷等温室气体的高效吸收与转换,以及新型无碳能源(如氢能)的安全稳定再生。

    【创新应用功能化石墨烯材料】

    ▍《瞭望》:你一直致力于将功能化石墨烯材料应用于多介质复合污染协同治理,在这方面取得了哪些研究成果?

    吴明红:20多年来,我们一直致力于以石墨烯为代表的先进材料合成制备、功能优化与批量生产,并将这些先进功能材料在多环境介质保护与修复中的应用作为主攻方向,在该领域取得一系列突破性成果。

    我们率先发现了石墨烯与苯系物之间具有强烈的π-π相互作用,并据此自主研发了石墨烯耐高温复合分子筛,提高了有机污染物的选择性和催化效率;凭借化学裁剪法和分子融合法,研制了单晶结构、边缘功能化的石墨烯量子点催化剂,其催化活性可通过尺寸和边位修饰进行双重调控,实现了污染物在室温、可见光条件下的高效、动态催化降解;通过在氧化石墨烯层间插入金属水合离子,首次实现了石墨烯层间距的埃米级精确调控,对复杂有机污染物及金属离子表现出高效选择和筛分特性

    目前,这些“石墨烯基”先进环境功能材料已经成功应用于空气、水体等环境介质的污染治理与修复工程。研究相关的理论成果陆续发表在Nature、Nature Chemistry等国际权威学术期刊上,构建了“理论-技术-应用”的研究体系,获得了国家自然科学二等奖、上海市自然科学一等奖、上海市科技进步一等奖、广东省科学技术一等奖、中华环保联合会科技进步奖特等奖等表彰。

    ▍《瞭望》:请详细介绍一下相关的科技转化应用。这对于环境保护领域的发展具有什么意义?

    吴明红:目前,“石墨烯基”功能材料已经很好地实现了转化落地,比如中船集团工业源挥发性有机物治理、中国国际进口博览会10万余平方米场馆等室内有机污染治理工程、内蒙古伊泰化工工业浓盐水治理工程、核工业高放射性废液处置与资源化工程等。

    具体而言,我们基于石墨烯对苯系物的高效选择性吸附,通过改性石墨烯与传统介孔分子筛复合,研制了耐高温石墨烯复合分子筛,解决了传统工艺吸附效率低、安全隐患大、易失活等问题,在提升安全性的同时节能达20%以上,该技术方案成功应用于江南造船厂所有的挥发性有机物(VOC)治理工程,治理后的苯系物、总烃等污染物远优于国标和欧盟标准。

    同时,我们利用廉价的煤化工原料,成功制备了高品质、皮秒级响应石墨烯量子点,攻克了规模化生产难题,有效地满足了特定场合下“时间紧、任务重”的室内复合污染高效治理需求,为我国重大活动的应急性室内环境高效治理提供了安全保障。

    此外,我们构建了通过离子调控层间距的氧化石墨烯膜,实现了对膜分离层精度的精准控制,攻克了氧化石墨烯膜在运行中溶胀和分离层脱落的技术难题,并据此批量研制了具有多级离子筛分特性的工业膜,成功应用于内蒙古伊泰化工每年千吨级的工业浓盐水治理工程中,首次实现了国内超大规模浓盐有机废水的近零排放,开创一条水质净化与物质资源化协同的水处理技术新途径

    这些科技创新成果的成功转化落地,不仅表明先进环境功能材料在环境保护与生态修复中,具有很好的性能优势和应用前景,还证明了环境功能材料在污染治理的同时所具备的低碳节能特性。这对于推动环境保护领域先进功能材料的不断发展与革新、先进功能材料的工程转化与应用,都具有积极的作用。环境功能材料在实际环保工程应用中所表现的减污降碳协同增效性能,为“双碳”战略背景下环境治理与生态修复的未来发展开辟了新路径。

    【有待突破与发展的关键点】

    ▍《瞭望》:推动环境功能材料更好应用于减污降碳协同增效,未来还需要有哪些突破?

    吴明红:虽然我们团队在“石墨烯基”先进减污降碳协同增效功能材料的研发与转化应用中,取得了一定的研究成果,但是,将环境功能材料应用于减污降碳协同增效中,还有很多可以突破与发展的关键点。

    首先是材料本身的合成制备技术与功能化水平还有很大的进步空间,目前能够广泛应用于实际环境场景的功能化材料只是“沧海一粟”。

    其次,大部分功能材料在制备过程中使用了贵金属或稀土元素,这大幅提升了功能材料的研发和应用成本,同时研发功能材料批量生产的技术工艺也是当务之急。

    最后,应尽快形成环境功能材料在减污降碳协同增效应用中的行业标准,规范相应的技术体系、工艺路径、管理模式等。

    急国家之所急、想国家之所想。今后,我们将继续聚焦国家环境生态方面的重大需求,在独创独有上下功夫,在脚踏实地上做文章,在广度深度上求突破,推动先进环境功能材料体系的创新与发展,力争先进环境功能材料在减污降碳协同增效应用中的不断突破,为我国“双碳”目标实现与生态文明建设作贡献。