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数字混凝土时代即将到来——访中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院博士生导师、混凝土与环境材料研究所所长王栋民教授

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混凝土世界 2010年第5期 16-18页

作者：李昂韩方晖《混凝土世界》编辑部中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院

随着科学技术的迅猛发展，新知识、新观念、新技术层出不穷，强调人与自然、人与环境的和谐相处，全面协调可持续发展已成为人类社会的共同追求。人类对于世界的认识，不管是宏观还是微观世界，乃至人类自身都已经进入到数字化、定量化... 详细信息

随着科学技术的迅猛发展，新知识、新观念、新技术层出不穷，强调人与自然、人与环境的和谐相处，全面协调可持续发展已成为人类社会的共同追求。人类对于世界的认识，不管是宏观还是微观世界，乃至人类自身都已经进入到数字化、定量化、信息化和现代化的新阶段，从过去模糊的、粗浅的认识到现在精确的、深刻的认识。

关键词：中国矿业大学环境材料博士生导师工程学院混凝土研究所化学北京

粉煤灰添加对城市多源有机废弃物联合堆肥效能及堆体细菌群落的影响

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环境科学 2024年第6期45卷 3638-3648页

作者：邹嘉成杜闫彬苏凯文于彩虹刘迎超王晨晨徐德卓中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院北京100083

为实现粉煤灰和多源有机废弃物的高效资源化利用,采用好氧堆肥的方法,以厨余垃圾、鸡粪和锯末(15∶5∶2)混合原料为底物,添加底物总湿重的5%和10%的粉煤灰作为处理组(5%FA和10%FA),并以不添加粉煤灰作为对照处理(CK),通过测定联合堆肥... 详细信息

为实现粉煤灰和多源有机废弃物的高效资源化利用,采用好氧堆肥的方法,以厨余垃圾、鸡粪和锯末(15∶5∶2)混合原料为底物,添加底物总湿重的5%和10%的粉煤灰作为处理组(5%FA和10%FA),并以不添加粉煤灰作为对照处理(CK),通过测定联合堆肥过程中理化性质、养分元素和细菌群落结构的变化,探究不同粉煤灰添加量对联合堆肥的促进效果.结果表明,添加5%和10%粉煤灰可以显著提高联合堆肥的最高温度(56.6℃和56.9℃)并延长高温期持续时间(9 d),相较于对照处理,堆体总养分含量分别提高了4.09%和13.55%.在整个堆肥过程中,细菌群落结构发生了较大变化,各处理的细菌多样性均出现了明显的提高.在堆肥前期,变形菌门(Proteobacteria)是主要的优势门类,相对丰度在35.26%~39.40%之间.进入堆肥高温期,添加5%和10%粉煤灰处理中厚壁菌门(Firmicutes)相对丰度达到最高值,分别为52.46%和67.72%.芽孢杆菌属(Bacillus)和放线菌属(Thermobifida)是5%和10%粉煤灰添加量处理高温期的优势菌属,相对丰度分别为33.41%和62.89%(芽孢杆菌属)、33.06%和12.23%(放线菌属).冗余分析(RDA)结果表明不同理化指标对细菌群落均有不同程度影响,其中有效磷、速效钾、有机质以及pH是影响细菌群落结构的主要环境因子.综上,添加粉煤灰促进了城市多源有机废弃物联合好氧堆肥的无害化和腐熟化,优化了微生物群落结构,提高堆肥产品的质量和效率.

关键词：粉煤灰多源有机废弃物联合堆肥环境因子细菌群落结构

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煤系沥青包覆再生石墨微观构造及电化学性能

煤炭学报 2024年第5期49卷 2507-2518页

作者：岳彦龙林雄超张玉坤高红凤张续春王永刚中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院北京100083

石墨负极材料易在石墨层间与电解液发生共嵌入导致石墨层膨胀、粉化脱落,严重影响石墨负极材料的循环稳定性。利用沥青对石墨负极进行包覆,形成不定型碳层包覆的“核壳”结构,可减少石墨层的膨胀脱落,提高石墨负极材料的电化学性能。以... 详细信息

石墨负极材料易在石墨层间与电解液发生共嵌入导致石墨层膨胀、粉化脱落,严重影响石墨负极材料的循环稳定性。利用沥青对石墨负极进行包覆,形成不定型碳层包覆的“核壳”结构,可减少石墨层的膨胀脱落,提高石墨负极材料的电化学性能。以中温煤焦油沥青为原料,通过空气氧化和聚合交联制备得到高结焦值、高软化点的包覆沥青。通过液相包覆方法,考察了对再生石墨负极的包覆性能。采用X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)、氮气吸附、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)等方法分析了再生石墨包覆形貌与界面微观结构变化,并对材料电化学性能进行了测试。结果表明,沥青包覆可有效完善再生石墨微观构造。随着沥青包覆量的增加,石墨表面缺陷减少,比表面积和孔容降低;炭化后包覆界面形成不定型碳层,包覆界面无序度随沥青包覆量的增加而升高。不定型碳包覆层的形成显著提高了石墨负极性能,包覆12%沥青的再生石墨比容量达到450 mA·h/g,相比未包覆石墨提升140 mA·h/g;沥青包覆石墨负极首次库伦效率增加11.5%,并且循环稳定性获得改善;在5 A·h下比容量提高至285 mA·h/g,相比未包覆再生石墨提高242.8 mA·h/g,倍率性能突出。

关键词：包覆沥青 “核壳”结构氧化交联液相包覆再生石墨

基于分子模拟的多孔炭材料结构模型构建方法研究进展

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化工进展 2024年第3期43卷 1535-1551页

作者：周逸寰解强周红阳梁鼎成刘金昌中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院北京100083

结构模型的构建是多孔炭材料结构表征、“构效”关系探究、吸附模拟研究等的前提和基础。本文对基于分子模拟的多孔炭材料结构模型构建方法、应用及特点进行了综述性评介,以挥发性有机物(volatile organic compounds,VOCs)吸附净化用活... 详细信息

结构模型的构建是多孔炭材料结构表征、“构效”关系探究、吸附模拟研究等的前提和基础。本文对基于分子模拟的多孔炭材料结构模型构建方法、应用及特点进行了综述性评介,以挥发性有机物(volatile organic compounds,VOCs)吸附净化用活性炭的选型需求为导向,分析各种模型构建方法的适用性。结果表明,由片段单元组装构成多孔炭结构的早期模型,能展现多孔炭材料的部分表观性质,但对多孔炭吸附性能的解析与机理阐释尚缺乏指导意义。多孔炭结构模型构建方法可归为仿真过程法和结构重建法,前者适于炭材料微观结构演变的研究,但所需算力高;后者通过拟合多孔炭的实验、表征数据、在一定约束条件下重建模型,其中的随机填充法可以针对性地调控模型的孔结构和官能团,应用于吸附模拟研究时有助于确定吸附特定VOCs的最优孔结构、筛选合适的活性炭,进而指导多孔炭材料的制备。然而,对包括随机填充法在内的结构重建法,尚需掌握量化调控结构模型孔结构、表面官能团的方法与关键参数,发展能够进行多参数、多指标“构效”关系研究的多尺度化模型,才能对多孔炭材料的实际应用提供指导。

关键词：分子模拟活性炭结构模型动力学模型随机填充法

湍流环境下颗粒与气泡黏附过程的数值模拟研究

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煤炭学报 2024年第4期49卷 2057-2066页

作者：张志军黄旭贝中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院北京100083

研究湍流环境中颗粒与气泡的黏附过程对于探究浮选微观过程具有重要意义。基于EDEM的API(应用程序编程接口)二次开发模块,建立了颗粒与气泡黏附过程相互作用的三维离散元法(DEM)模型。在Fluent软件中通过构建规则格栅以激发各向同性的湍... 详细信息

研究湍流环境中颗粒与气泡的黏附过程对于探究浮选微观过程具有重要意义。基于EDEM的API(应用程序编程接口)二次开发模块,建立了颗粒与气泡黏附过程相互作用的三维离散元法(DEM)模型。在Fluent软件中通过构建规则格栅以激发各向同性的湍流,并将湍流环境通过计算流体力学-离散元(CFD-DEM)加入到EDEM软件中。模拟了颗粒粒径为0.10、0.15、0.20、0.25和0.30 mm,颗粒密度为1500、2000和2500 kg/m^(3),球形度为0.746~0.854的不规则颗粒,和气泡直径为1.00、1.20、1.60和2.00 mm,在气泡与格栅间距离为1.00、1.50、2.00和3.00 mm的湍流环境下颗粒与气泡的黏附过程。研究了颗粒、气泡、流场各参数对于颗粒与气泡黏附过程的影响。结果发现,无论规则颗粒还是不规则颗粒在湍流环境中与气泡的黏附均存在临界脱附流速(颗粒与气泡发生脱附的最小湍流流场流速)。密度大的颗粒和粒径大的颗粒与气泡黏附的临界脱附流速更小,表明粒径和密度大的颗粒与气泡难以稳定黏附。气泡的直径越大,颗粒与气泡稳定黏附的临界脱附流速越小,颗粒越难以稳定黏附。在相同的流速下,气泡与格栅间距离越小,则流场湍流强度越大,颗粒与气泡稳定黏附的临界脱附流速越小,表明湍流强度的增加不利于颗粒与气泡的稳定黏附。球形度小的颗粒与气泡稳定黏附的临界脱附流速也较小,表明球形度小的颗粒与气泡难以稳定黏附。

关键词：浮选 CFD-DEM 颗粒气泡黏附湍流数值模拟

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自由基辅助粉煤灰合成沸石分子筛的研究进展

硅酸盐学报 2024年第1期52卷 347-358页

作者：梁鼎成张蕊聪解强谢珠璨刘缘中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院北京100083

沸石分子筛(简称沸石)在吸附、分离和催化等领域具有广阔应用前景,但沸石合成速率慢、工业化生产效率低;同时高品质沸石主要由化学原料合成,制备成本高,因此,利用自由基提高合成速率,以粉煤灰为硅铝源降低合成成本,对沸石的工业化生产... 详细信息

沸石分子筛(简称沸石)在吸附、分离和催化等领域具有广阔应用前景,但沸石合成速率慢、工业化生产效率低;同时高品质沸石主要由化学原料合成,制备成本高,因此,利用自由基提高合成速率,以粉煤灰为硅铝源降低合成成本,对沸石的工业化生产和大宗固废的消纳具有重要的现实意义。本文对自由基促进沸石合成的作用机理进行调研,同时探究自由基促进粉煤灰硅铝活化的可能机制,挖掘自由基在沸石合成体系中的产生及存在,并针对粉煤灰来源广、成分杂问题,系统梳理了各类预处理方法,在此基础上,提出了利用自由基有望解决粉煤灰中硅铝活化难的问题,这将为粉煤灰大规模、高值化利用提供可能途径。

关键词：沸石分子筛自由基粉煤灰催化机理硅铝活化

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煤矿矿井水资源化绿色短流程关键技术与装备

煤炭学报 2024年第2期49卷 958-966页

作者：何绪文王绍州张学伟季晓晴中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院北京100083

煤炭是我国重要的工业原料,与我国经济发展关系密切。煤炭开采过程中会产生大量矿井水,是重要的非常规水资源,需妥善处理。然而现有矿井水处理技术普遍存在占地大、流程长、需加药、运行维护复杂和出水水质不稳定等问题,为缩短处理流程... 详细信息

煤炭是我国重要的工业原料,与我国经济发展关系密切。煤炭开采过程中会产生大量矿井水,是重要的非常规水资源,需妥善处理。然而现有矿井水处理技术普遍存在占地大、流程长、需加药、运行维护复杂和出水水质不稳定等问题,为缩短处理流程、提高处理效率和保证出水水质,亟需研发新的关键技术与装备。采用聚瓷膜直滤技术处理矿井水,通过对膜通量、膜比通量、运行压力和循环流量等条件的对比分析,确定最佳运行参数为:运行压力0.2 MPa,循环流量18 m3/h,处理过程无需加药,出水悬浮物质量浓度稳定工程案例表明,聚瓷膜直滤可直接取代“混凝沉淀-过滤-超滤”(一代三),且已连续稳定运行2 a,满足设计产水量要求,系统回收率均在90%以上,处理后水质达到GB 3838—2002地表水环境质量III类24种标准限值要求,且自动化程度高,可无人值守,实现了矿井水资源化利用绿色短流程、节能高效和智能化新要求,可为该技术大规模推广应用提供技术参考。

关键词：煤矿矿井水聚瓷膜直滤膜污染资源化

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低碳化现代煤基能源开发关键技术体系

煤炭学报 2024年第7期49卷 2949-2972页

作者：葛世荣刘淑琴樊静丽赵毅鑫滕腾中国矿业大学(北京)机械与电气工程学院北京100083 中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院北京100083 中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083

煤炭为人类工业文明进步做出了重大贡献,但面临高碳排放的重大难题。现代煤基能源是破解煤与碳矛盾的新路径,能够立足我国资源禀赋实现能源自主可控,提升我国油气自主性,支撑电力清洁转型和新能源产业发展,是保障能源安全和实现双碳目... 详细信息

煤炭为人类工业文明进步做出了重大贡献,但面临高碳排放的重大难题。现代煤基能源是破解煤与碳矛盾的新路径,能够立足我国资源禀赋实现能源自主可控,提升我国油气自主性,支撑电力清洁转型和新能源产业发展,是保障能源安全和实现双碳目标的重要创新方向。基于现代煤基能源概念及技术体系,系统梳理和介绍了现代煤基能源内涵和产品谱系。通过对现代煤基能源的煤基气开发技术、煤基油开发技术、煤基氢开发技术、煤基电生产技术、矿区动态碳中和技术等5个核心技术模块及其19个技术单元和61项关键技术进行分析和论述,提出了10项低碳化煤基能源开发的变革性技术:①基于自移式等离子体气化机的智能煤炭地下气化技术,具有自动燃烧、自动推进、自动封闭、自动监测、自动调控组分等功能;②煤炭地下气化与间接液化耦合可形成低成本、低排放、短流程煤制油路线(UCG-ICL);③利用太阳能加热或干热岩加热的富油煤原位干馏化学开采技术设想;④基于原位碳捕集利用与封存(CCUS)的深部煤炭地下气化制氢路径(UCG-H_(2)),循环CO_(2)作为气化剂提高煤气有效组分产量,捕集CO_(2)就地封存于地下气化空腔,形成近零排放UCG-H_(2)技术路线;⑤纳米富氢水煤浆掺氢发电技术,实现低温低压下的低碳煤基电生产,显著降低煤电CO_(2)排放量;⑥煤炭地下气化耦合IGCC的低碳发电系统构思(UCG+IGCC),减少了IGCC煤制气环节,显著降低CO_(2)排放部分;⑦煤粉爆燃直线驱动发电技术架构,理论做功能量是煤炭燃烧的15倍以上;⑧基于现代煤基能源内循环的CO_(2)加氢合成“绿色甲醇”路线,利用低碳UCG制取的煤基“蓝氢”与捕集CO_(2)合成制取甲醇;⑨现代煤基能源产生的CO_(2)原位地下封存技术系统,有助于实现零碳煤基能源生产;⑩矿区动态碳中和煤基能源系统架构,将智能保供、绿色开发、清洁转化、低碳利用、洁净排放耦合在一个矿区闭环系统中,实现矿区动态碳中和。

关键词：现代煤基能源煤炭能源低碳转型矿区动态碳中和技术能源安全 CO_(2)减排

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低碳化现代煤基能源技术体系及开发战略

煤炭学报 2024年第1期49卷 203-223页

作者：葛世荣樊静丽刘淑琴宋梅鲜玉娇王兵滕腾中国矿业大学(北京)机械与电气工程学院北京100083 中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083 中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院北京100083 中国矿业大学(北京)管理工程学院北京100083

煤炭为人类社会工业化进程做出了重要贡献,为保障我国能源安全和经济平稳发展发挥了关键支撑作用。从19世纪中期开始,煤炭、煤油、煤气、煤电共生的煤基燃料逐步进入规模化使用时代。但是,传统的煤炭利用产生高碳排放,成为能源转型的重... 详细信息

煤炭为人类社会工业化进程做出了重要贡献,为保障我国能源安全和经济平稳发展发挥了关键支撑作用。从19世纪中期开始,煤炭、煤油、煤气、煤电共生的煤基燃料逐步进入规模化使用时代。但是,传统的煤炭利用产生高碳排放,成为能源转型的重大难题。面向生态文明社会发展,煤炭清洁高效利用迫在眉睫,现代煤基能源技术创新势在必行。首次提出现代煤基能源技术体系定义及内涵,将其定义为基于煤炭原料的创新转化而生产具有低碳属性的煤基气、煤基油、煤基氢和煤基电等能源产品,并在矿区原位消纳二氧化碳,形成具有碳中和能力的清洁低碳能源生产系统,其技术内涵包括煤基气、煤基油、煤基氢、煤基电和矿区动态碳中和,共有5个技术模块、19个技术单元和61项关键技术。现代煤基能源技术体系在未来新型能源体系中将发挥“一主体三支撑一突破”的重要作用,即煤基电在我国电力保障中的“以煤稳电”主体作用,煤制油在我国油品安全的“以煤增油”支撑作用,煤基气对我国燃气安全的“以煤补气”支撑作用,煤基氢气对我国氢能发展的“以煤助氢”支撑作用,实现煤基能源动态碳中和技术的“以煤固碳”重大突破。当非化石能源与低碳化煤基能源之比保持在2.5~3.0,煤基能源及油气能源与风光水核能源可实现合理融合,组成具有强互补性、高可靠性、低碳排放的新质能源系统。研究预测,基于现代煤基能源技术实现重大突破和实际应用,2060年我国低碳化煤基能源产量可达10.2亿~14.6亿t标准煤,相当于全国能源需求量的18%~24%,二氧化碳排放量控制在5亿t以下,与目前基于“去煤化”的能源转型规划路径相比,煤炭在我国能源体系中的占比从10%提高到20%以上,二氧化碳排放量降低了50%。届时,现代煤基能源体系对我国能源安全保供和二氧化碳减排具有重大技术创新意义,助力我国走向能源自主独立强国。

关键词：现代煤基能源煤炭清洁高效利用矿区动态碳中和能源安全二氧化碳减排