面向能源环境领域研究生育人生态构建与实践——以山西大学能源环境学科群教育教学改革为例

基于教育生态理论,立足山西能源大省的产业特色,山西大学发挥综合类大学能源环境领域多学科优势,提出“能力为基、创新为本、服务需求、回归工程”的研究生教育理念,组建由能源动力、环境工程、控制工程等学科构成的学科群,形成学缘结构互补的导师团队,开展教育教学改革。通过整合多方资源,搭建贯通政产学研用的载体,探索出“学生中心、四方联动、平台支撑、四位一体”的研究生育人生态,打造了服务产业升级和区域经济转型的政产学用的县域“襄垣模式”和产学研用的“大地模式”,培育了一批适应产业发展的复合创新型人才,社会影响广泛深远。这一育人生态不仅为资源型经济转型发展提供了人才支持,也为地方高校“政产学研用”共融提供了示范样本。

基于资源和地质环境特征的河东煤田煤炭绿色开采战略研究

河东煤田位于黄河中游吕梁山西麓的晋西黄土高原地区,是我国重要的炼焦煤产地,也是水土流失和生态脆弱区、地质灾害频发区、岩溶大泉分布区。通过对河东煤田资源和地质环境特征的分析,发现河东煤田中部离柳矿区稀缺炼焦煤保有资源量占比河东煤田稀缺炼焦煤总量的70.8%,但开发强度高于煤田平均值,应从战略上重视离柳矿区的稀缺炼焦煤资源,进行保护性与节约式开采;河东煤田薄煤层占煤田煤层总厚的17.0%,离柳和石隰矿区薄煤层占其煤层总厚的近25.0%,应重视河东煤田薄煤层的开发,尤其是中部离柳矿区和石隰矿区的薄层炼焦煤资源,提高煤炭资源采收率;河东煤田地区采煤时,可充分利用当地的黄土资源与煤炭开采产生的煤矸石等材料大力发展充填开采,以减少地表的黄土滑坡与崩塌地质灾害与水土流失;河东煤田下伏奥陶系峰峰组上部地层具有一定的隔水性,充分评价和利用峰峰组上部地层的富水性和隔水性能,可大幅提高煤炭采收率的同时最大限度地减少采煤引发的地下岩溶水资源破坏,保护岩溶大泉。河东煤田是黄河中游重要的能源基地和黄河流域生态保护和高质量发展国家战略的主战场。煤炭绿色开采技术能够实现河东煤田煤炭开发利用最优化和生态环境影响最小化,未来发展前景及应用价值巨大,需要多专业多学科共同参与。

交叉学科背景下资源循环科学与工程专业研究生课程建设研究

资源循环科学与工程专业是新兴交叉学科专业,“新工科”时代背景下,对资源循环科学与工程专业人才的培养提出了更高的要求。对资源循环科学与工程专业研究生的课程建设进行探索与改进,搭建了集学科基础理论、学科技术基础、研究方法与手段、学科技术动态四位一体的分层次、分类别的课程构架,通过教材建设、改变教学方法,实现了课程的多学科交叉融合的教学效果。

粉煤灰酸碱介质中锂资源提取研究进展

锂资源作为新能源产业的基础材料,其高效开发具有重要的战略意义。随着全球锂资源需求的爆发式增长,传统的开采和提取远远不能满足市场所需。煤炭燃烧产物之一的粉煤灰中有价金属的提取为解决锂资源供需紧迫提供了新的思路。对于从粉煤灰中提取锂,主要是基于煅烧—酸/碱浸取法提取铝硅过程。锂资源在酸/碱浸取液作用下从粉煤灰中释放出来,形成低浓度含锂酸/碱溶液,然后采用溶剂萃取、吸附、沉淀等方法将锂分离富集出来。重点综述了粉煤灰不同酸/碱介质中锂资源的提取方法,对各种提锂方法优缺点进行了总结和阐述,并对粉煤灰提锂现状、存在问题和发展方向进行了分析和讨论。

电锅炉技术及其应用对环境影响的分析研究

针对电锅炉技术及其应用对环境影响,以绿色电力能源代替煤、油、气等常规化石能源,减少因化石能源在城镇人群聚集区终端使用造成"雾霾"类大气污染,已经成为一种新的发展趋势。本文系统分析了电锅炉的常用技术,分别阐述了不同种类电锅炉的技术原理、技术特点、工艺流程、应用领域,并通过实际应用案例,分析了电锅炉技术推广应用对城镇人口聚集区环境污染改善的效果,最后提出电锅炉技术的应用建议,为推行电锅炉技术选型提供依据,保证绿色环境的生成。

钢渣资源的农业利用研究

钢渣是炼钢过程中的副产品,作为废弃物长期堆存,带来了很多环境问题。详细介绍了钢渣农业资源化利用的几种主要方式,旨在为钢渣农业利用提供指导。

粉煤灰多元复杂体系锂资源提取的研究及发展

随着锂资源供需关系的紧张和需求量日益增大,从海水、废旧锂电池以及粉煤灰等低品位或者二次资源中回收锂受到重视。综述了煤及粉煤灰中锂资源的含量及分布、粉煤灰多元复杂体系中锂资源提取的技术现状,回顾了当前国内外从其他低品位资源中提锂的技术方法、材料和反应机制,分别从碱性、中性、酸性三种不同的提锂环境进行总结和阐述,对其用于粉煤灰提锂的可行性进行了评估,并对其存在问题和发展方向进行了分析和讨论,从其他低品位资源中提锂的方法可为粉煤灰提锂提供借鉴和参考。文章结尾对粉煤灰中锂资源的提取进行了展望,提出了粉煤灰中伴生资源协同提取的重要性和发展方向。

山西关闭煤矿资源二次利用关键地质问题及地质保障探讨

针对山西关闭煤矿资源的二次利用现状,分析了关闭煤矿二次利用面临的主要地质问题,并提出地质保障措施,主要包括以下几方面:全面系统收集全省关闭煤矿地质资料,摸清关闭煤矿资源赋存特征,加强基础研究;因地制宜,一矿一策,精准利用关闭煤矿资源,根据煤矿资源赋存特征和类型以及所在区域位置,充分考虑关闭煤矿的资源特性和地质条件,因地制宜地设计不同的开发利用方案;加大对关闭矿坑排水的处理与二次利用,尤其中南部酸性矿井水与北部严重缺水地区的矿井水二次利用;按照关闭煤矿的地质地理条件、稳定性、安全性、密闭性及距离城市的远近,探索关闭煤矿地下空间的梯级利用。

采用生命周期影响评价软件ReCiPe2016研究煤矸石和煤燃烧时As和Pb排放的环境效应

在煤和煤矸石燃烧的过程中,许多重金属污染物排放到大气中,从而造成严重的环境问题,因此研究煤燃烧过程中重金属排放的环境效应很有必要。本研究运用ReCiPe2016软件计算了煤矸石和煤在330 MW煤粉炉、50 kW循环流化床和实验室燃烧时As和Pb排放的环境影响值。结果表明当煤在330 MW煤粉炉燃烧的时候,底渣、飞灰、烟气中的As排放对环境的影响值分别是3.28×10^-6、2.68×10^-5、3.89×10^-3,底渣、飞灰、烟气中的Pb排放对环境的影响值分别是8.57×10^-6、6.00×10^-5、4.83×10^-2。底渣中的As和Pb排放对环境的影响比飞灰中低;As和Pb排放到大气对环境的影响比排放到土壤高。另外,当煤在50 kW循环流化床燃烧的时候,飞灰中的As和Pb排放对环境的影响值分别是3.26×10^-5和1.28×10^-4,底渣中的As和Pb排放对环境的影响值分别是1.16×10^-6和1.43×10^-5。本文的研究结果还表明当煤矸石在实验室燃烧的时候,随着燃烧温度的升高,As和Pb排放对环境的影响值升高。另外,As和Pb排放到大气对环境的影响占总环境的影响比例比排放到土壤高。此项研究还表明当煤在煤粉炉和循环流化床燃烧的时候,相同工况下Pb排放对环境的影响比As高。这项结果也为运用生命周期影响评价软件预测煤矸石在循环流化床燃烧As和Pb排放的环境影响提供基础数据。

多金属共伴生矿产资源协同利用制备铁氧体材料及其应用研究进展

在当今矿产资源短缺的背景下,矿产资源的高效清洁利用是国民经济可持续发展的迫切需求。铁氧体材料由于具有独特的电磁性能被广泛应用到电子电讯、催化、医药、新能源等各个领域,因此,多金属共伴生矿产资源协同利用制备铁氧体材料成为其清洁高效利用的重要方式之一。在对铁氧体材料的结构、性能、应用与合成进行总结的基础上,详细分析了含锰矿物、红土镍矿、菱镁矿等多金属共伴生矿的成分、矿相特点,进一步对多金属共伴生矿产资源协同利用制备铁氧体材料及其应用的研究进展进行了综述。系统总结了针对不同成分、矿相特点的矿产资源在制备铁氧体材料时采取的技术策略与路线,分析了金属元素在转化利用过程中的迁移规律及矿相调控机制,阐述了矿产资源中微量元素对铁氧体材料结构和性能的影响规律与调控机制,为多金属共伴生矿产资源的高效清洁利用和铁氧体材料的低成本合成提供理论基础和技术支撑。

表面分析技术新进展及在矿物工程研究中的应用--原子力显微镜

简要阐述了原子力显微镜(Atomic Force Microscopy)操作原理;结合我们课题组的研究工作,从矿物表面疏水性和表面电性的表征、矿物颗粒与气泡和药剂间作用力分析以及矿物表面微观形貌成像等方面对原子力显微镜在矿物工程研究领域的应用情况作了概括介绍。原子力显微镜技术能与各种检测表征技术结合,在不同领域得到持续广泛的应用。

固废基水化硅酸钙制备及综合利用研究进展

大宗固废是工业生产过程中产生的各种固体废弃物,大多数固废中含有较多的硅资源和各种有价资源。水化硅酸钙(C-S-H)是一种疏松多孔、表面活性强的材料,被广泛应用于水泥活化、保温材料制备和重金属吸附等方面,将大宗固废有价资源高效提取和硅资源高效利用制备C-S-H相结合,是提高固废资源化和实现C-S-H材料规模化利用的良好途径。因此,本文分析了固废基C-S-H的合成方法及其结构、性能特点,论述了C-S-H材料在建材、环境、化工、生物等领域的应用,并进一步展望了其未来的发展方向,从而为大宗固废的硅资源利用和C-S-H材料的可控制备提供参考。

“双碳”目标下焦化产业发展路径研究

本文从碳达峰碳中和目标的宏观规划角度针对焦化产业在绿色转型发展中面临的技术和管理问题通过调研和访谈等方式对焦化企业碳排放工艺技术、碳排放总量和影响因素分析得出了“双碳”目标下煤焦化产业可以探索建立风、光、电、热、气多元协同的清洁能源基地,提升煤焦化行业碳排放管理水平,开发“固碳”化工产品,研发“碳耦合”相关技术,实现散气废气碳捕集碳回收利用的绿色低碳路径。研究结果表明山西省重点行业中的焦化产业在“碳达峰碳中和”背景下实现绿色低碳发展目标的技术和管理创新路径,为山西省实现国家双碳战略背景下的绿色低碳发展目标提供建设性的依据。

粉煤灰基注浆材料的研究进展

综述了粉煤灰基注浆材料的研究现状,并对粉煤灰基注浆材料的工程应用进行了总结。针对提高注浆材料中粉煤灰的利用率,进行了粉煤灰活化方式的评估,对改善粉煤灰基注浆材料各项性能的方法进行了论证和建议,以期为固体废弃物的规模化应用提供理论支撑。

低阶煤和生物质水热碳化特性及水热炭功能化改性研究进展

低阶煤中大量含氧官能团赋予其强亲水性,导致孔隙表面吸收大量水分,从而增加运输成本,能源转化效率降低,因此低阶煤的清洁低碳高效转化备受关注。水热碳化反应能耗较低,可直接处理高含水率有机固体物质,是一种绿色低碳高效经济的低阶煤提质技术;而生物质作为可代替化石燃料的可再生能源,水热碳化也可大幅提高其利用率。低阶煤与生物质共水热碳化时,二者会产生一定的协同效应,相较于单一水热碳化具有更高的产率和碳保留率。对水热炭进行功能化改性,可以进一步丰富其孔隙结构,增加材料表面的官能团,进而制备出性能优异的功能性炭材料,用于CO_(2)和SO_(2)等气体吸附。综述了低阶煤和生物质单独水热碳化及共水热碳化特性,分析生物质水热碳化主要影响因素;同时对水热炭活化改性和掺杂改性方法进行了总结,比较了氮、硫掺杂及硫氮共掺杂方式、掺杂机制及改性水热炭应用范围。此外,还对改性水热炭对CO_(2)和SO_(2)吸附性能等进行了综述,探讨了多孔炭表面吸附CO_(2)和SO_(2)的机理;最后对低阶煤和生物质共水热碳化以及水热炭低成本制备气体吸附剂等未来发展方向进行了展望。

固废基硫掺杂多孔炭材料制备及其对CO_(2)吸附性能研究进展

含碳固废来源广、产量大,其大量堆存严重制约了环境可持续发展,因此含碳固废资源化利用意义重大。利用含碳固废制备多孔炭材料是其清洁高效利用的重要方式之一。对多孔炭进行硫原子掺杂不仅可使材料表面的亲水性得到改善,还可以改变材料表面的化学异质性,生成有利于CO_(2)捕集的活性位点,强化材料对CO_(2)分子的吸附作用,从而提高其CO_(2)吸附容量。简述了固废基硫掺杂多孔炭材料的制备方法,总结了硫掺杂多孔炭材料用于CO_(2)吸附的最新研究进展,并对硫掺杂多孔炭材料未来发展趋势及其在CO_(2)吸附领域的工业化应用进行了展望。

目标情景下的电解铝行业低碳路径探究——以山西省为例

在“双碳”背景下,铝冶炼行业面临着巨大的减排压力。以山西省某电解铝企业为例,对2021年该企业各环节碳排放进行核算,识别影响电解铝行业碳减排的主要因素。采用情景分析法,对2021-2030年山西省电力结构调整、电解铝低碳技术升级及再生铝应用进行预测,建立电解铝碳排放多因素分析模型,探究在基准情景、政策情景下各控制变量对降低企业吨铝碳排放的影响。结果表明:电力结构变化对该企业温室气体减排量贡献最大,2030年基准情景下减排量可占总排放量的31.63%,政策情景下减排量占总排放量的40.66%;电力结构变化及再生铝占比变量耦合时,减排效果最为显著,2030年政策情景中减排量占总排放量的67.82%;三耦合情况下,该企业碳排放逐步趋于零。

焦化行业碳氢资源利用潜力与低碳路径评价

中国焦炭产量达4.73×10^(8)t,副产焦炉气约2×10^(11)m^(3)。焦炉气富含H_(2)、CH_(4)和CO等碳氢资源,对其有效利用并衔接上下游产业的氢能需求,有望产生显著的产业链减碳效益。本研究构建全国焦化企业的空间地理坐标和产能数据库,针对典型焦化企业开展物质流、碳流分析,系统比较焦炉气不同利用路径的环境影响、碳减排效益及碳氢资源利用率,提出优化的焦炉气利用策略。结果表明,我国焦化企业集中度较低,山西省是独立焦化企业最多的省份,企业规模在2×10^(6)t以下;河北、辽宁、吉林、江苏等地则主要以钢焦联合企业为主,主要为大型焦化企业。焦化行业副产大量焦炉气,可产氢气达1×10^(11)m^(3)。生命周期评价结果表明,焦炉气用于化工转化和还原剂高炉喷吹相比作燃料直接发电均可有效降低碳排放,尤其制氢路径和高炉喷吹路径的全球变暖潜值减少量分别是制甲醇路径的5倍和67倍。此外,在各种焦炉气利用路径中,总环境影响从高到低依次为制甲醇、发电、制LNG、制合成氨、制氢、高炉喷吹。结合各焦炉气利用路径分析与钢、焦企业空间分布,山西省等地独立焦化企业较多,可优先考虑向焦炉气制氢方向转型。而有条件发展钢焦联合发展区域,如河北、辽宁、吉林、江苏等地,向高炉喷吹焦炉气工艺改造转型,更有利于产生行业间协同效益,有效推动减污降碳发展。

铬铁复合掺杂锂离子筛的制备及其吸附性能研究

利用具有选择性高、吸附容量大、吸附速率快的锂离子筛从低浓度液相中吸附和分离锂已成为最有前途的方法之一,但锂锰氧化物锂离子筛因其Mn溶损率大、循环性能差在工业应用中受到限制。以LiOH·H_(2)O、MnO_(2)、Fe_(2)O_(3)、Cr_(2)O_(3)为原料,通过高温固相法制备了尖晶石型铬铁复合掺杂锂离子筛。重点研究了Cr掺杂量和煅烧温度对锂离子筛结构、吸附性能和Mn溶损率的影响。结果表明,当锂、锰、铁、铬的摩尔比为1∶2∶0.05∶0.05、煅烧温度为550℃时,合成的锂离子筛饱和吸附容量为27.30 mg/g, Mn溶损率仅为0.43%。选择吸附实验表明该锂离子筛对Li~+具有优异的选择性能。此外,经过5次循环实验后,铬铁复合掺杂锂离子筛的饱和吸附容量仍能保持第二次循环的89%,为18.51 mg/g,优于未掺杂锂离子筛的56%。

生物质基碳材料的制备及其在超级电容器中的研究进展

生物质基碳材料具有可再生性和灵活的微观结构可调性,作为高效、廉价的超级电容器电极材料受到越来越多的关注,但原生生物质衍生炭存在有低孔隙率、低比表面积和比电容不足等缺点。电极材料的比表面积、孔隙结构和导电性等都会影响超级电容器的储能性能,故如何制造具有高比电容、快速充放电且兼具一定柔性的电极材料成为了目前的研究重点。综述了超级电容器的类别、储能机理以及生物质基碳材料的制备方法和研究现状,分析了高质量负载电极的关键性能评价参数,并对其电化学性能影响因素进行了系统讨论,未来的发展趋势是将不同种类的储能器械集成复合型能源存储器械,以满足各领域需求。复合型的能源存储器械,大大提高了超级电容器的综合性能,因此研发高效、稳定的电能存储技术对于缓解能源短缺、减少环境污染和推动可持续发展具有重要的意义。