清华大学环境学院邓兵课题组Nat. Rev. Clean Technol.：闪速焦耳热在固体废物利用和环境污染修复领域的应用

环境人Environmentor · 公众号 · · 2025-01-20 12:09

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闪速焦耳热技术是近年来被广泛研究的新型直接电热技术，具有宽控温范围、超快处理、高能效、低碳排放等特点。近日，清华大学环境学院邓兵课题组系统评述了闪速焦耳热技术的原理、设备、规模化进展，以及在废物增值利用、环境污染修复、固相材料制备等领域的广泛应用，对典型应用进行了定量的生命周期分析和技术经济分析，并探讨了未来发展方向。

热处理是众多工业生产的基本过程。目前，绝大部分工业加热都依赖于化石能源燃烧，理论上，这些过程都可以被基于电力的加热过程所取代，这也成为工业电气化（Industrial Electrification）的重要组成部分。电加热方法涵盖了一系列技术，例如电阻加热、电弧加热、感应加热和微波加热等。这些方法在能源效率、温度范围和加热速度等方面各有不同。

2020年，研究人员首次提出了闪速焦耳加热（Flash Joule heating）这种全新的直接电阻加热形式，其原理是通过对目标物料施加高功率、短时电脉冲，使热量直接在材料内部快速生成，而无需通过加热介质进行热传递，具有极高的能源利用效率（电能转化为热能的效率可达到接近100%）。与其他热处理方法相比，闪速焦耳热技术在高效率、超快处理、高能效、低碳排放等方面表现出显著优势。清华大学助理教授邓兵首创了闪速焦耳热技术在固体废物资源化利用和环境污染修复等领域的应用，基于闪速焦耳热技术开发了战略关键金属短流程选择性分离回收、固体废物升级转化制备高价值功能材料、危险固废和污染土壤快速修复等一系列新原理方法，并进行了规模化应用验证。

图1. 闪速焦耳热技术的发展、设备、反应器和加热特征曲线

邓兵等在文章中系统阐述了闪速焦耳热技术的原理、设备、规模放大，以及在废物增值利用、环境污染修复、固相材料制备等领域的广泛应用前景。首先，文章详细阐述了闪速焦耳热技术的基本原理，电力系统设计，反应器设计，以及规模放大过程；其次，文章介绍了闪速焦耳热技术在材料制备领域的应用，尤其是石墨烯、碳纳米管等高质量碳材料的制备，以及无机固相材料合成和相态控制；随后，文章详述了闪速焦耳热技术在资源回收和废物增值利用领域的应用，包括战略关键金属分离、电池回收、无机固废增值利用，以及富碳固废（塑料和生物质）增值转化制备功能碳材料的应用；进一步地，文章讨论了闪速焦耳热技术在环境污染修复领域的应用，包括土壤污染修复和PFAS等新污染物降解等；最后，文章对闪速焦耳热技术的典型应用进行了技术经济分析和生命周期分析，证明了其在降低能耗和碳排放，节约过程成本的显著优势。作为一种清洁、高效的热处理技术，闪速焦耳热已成为固废资源化利用、污染修复、材料低成本制备等领域的科技热点和学科增长点。

图2. 闪速焦耳热技术在金属循环回收、污染修复、固废升级利用等领域的应用

1月15日，相关成果以“闪速焦耳热用于材料制备、废物升级利用及环境修复”（Flash Joule heating for synthesis, upcycling and remediation）为题，发表于《自然综述·清洁技术》（ Nature Reviews Clean Technology ）。该期刊为Nature出版社旗下2025年1月开始发行的最新期刊，致力于报道清洁技术和可持续领域的重要进展。

清华大学环境学院助理教授、特别研究员邓兵为该论文的第一作者，邓兵和美国国家工程院院士、莱斯大学教授詹姆斯·图尔（James M. Tour）为该论文的共同通讯作者。其他主要合作者包括莱斯大学博士生卢卡斯·艾迪（Lucas Eddy），美国斯伦贝谢公司研究科学家凯文·怀斯（Kevin Wyss），印度理工学院副教授钱德拉·塞卡尔·蒂瓦里（Chandra Sekhar Tiwary）等。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划和清华大学科研启动经费等的基金支持。

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