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科学技术奖 | 十年磨一剑,除“臭”黑科技

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编者按

近日,广东省科学技术奖获奖名单公布,我校24项科技成果获2019年度广东省科学技术奖。

为提升学校科研创新能力,推广科学技术获奖成果的交流应用,现开设“科学技术奖”专栏对获奖成果进行报道,聚焦各获奖团队科研攻关背后的故事,展现我校科研人员及团队的风采。

我校环境科学与工程学院黄海保教授带领团队研究臭氧污染,其研究成果“臭氧污染消除及利用的新型催化材料”荣获2019年广东省科学技术奖二等奖。

碧空焕新暗礁藏

臭氧窃窃浅地游

空气污染是我国面临最突出的环境问题,严重危害人民健康、阻碍社会和经济发展。2013年起,我国开始实施“大气污染防治行动计划”等,经过不懈努力,大气PM2.5浓度明显降低,蓝天白云天数显著增多,雾霾治理取得初步成效。但是另一种“看不见”的大气污染——臭氧污染日益凸显,在珠三角等重点区域超过PM2.5成为大气首要污染物,是我国打赢蓝天保卫战的关键和“拦路虎”。

“在天是佛,在地为魔”,是科研界对臭氧双面性的通俗概括。臭氧污染消除及利用在科学和技术层面均存在巨大挑战,是目前国内外治理难点和研究热点。如何消除臭氧污染甚至进一步资源化利用臭氧,化害为利,对于改善空气质量、促进工业经济发展具有巨大环境效益、科学意义和经济价值。

逆向思维,变废为宝

臭氧污染不仅来源于工业过程直接排放,而且更主要是产生于大气VOCs和NOx发生光化学反应。臭氧的强氧化性是一把双刃剑。如果能够将排放、泄漏、甚至大气中的臭氧用于其它空气污染物(如VOCs)的去除,则可充分实现其资源化利用。早年黄海保在其研究生阶段从事等离子体技术研究工作时,这个创新性想法即已萌芽;在其后续研究生涯尤其是在学院创建城市空气污染创新研究团队后,更将其作为团队研究重点和科技攻关核心。经过近十年的研究,通过构建“产学研用”的技术发展路径,团队形成了一整套臭氧污染高效去除及利用的新方法、技术和产品。

▲黄海保及团队正在进行材料制备实验

(来源:环境科学与工程学院)

为解决臭氧污染问题,黄海保所带领的科研团队基于氧化还原微环境调变的原理,在常温常压条件下成功合成了介孔非晶态、富氧空位、富氧化还原电对的臭氧高效净化新材料,室温条件下实现了臭氧污染的100%消除,并转化为安全无害的氧气。

针对臭氧污染来源广泛,应用场景和工况的复杂性,科研团队克服重重困难、持续攻坚,通过载体、配合和工艺等不断实验和优化,攻克催化材料在“低温”、“高湿度”和“高空速”等苛刻环境稳定运行的技术难题。制备的臭氧分解催化新材料,净化效率高、过程简单、适应性广、反应条件温和且实现“零能耗”,可谓除臭氧“黑”科技。在臭氧分解催化剂的基础上,科研团队进一步开发了增强臭氧室温催化氧化VOCs废气的复合新材料。结合臭氧催化氧化反应过程速率控制步骤、反应物吸附特征、产物脱附特点等一系列反应网络关联因素,团队开发了吸附性能强、比表面积大、孔道结构丰富、晶型均一的Mn修饰高硅分子筛新材料,常温条件下VOCs去除率和矿化均超过90%,是臭氧催化氧化VOCs治理技术的重大突破。

▲黄海保及团队正在进行产品性能测试

(来源:环境科学与工程学院)

为进一步深化应用,科研团队通过产学合作和技术转让,建立年产100吨的臭氧催化材料生产线,生产臭氧消除和利用材料,材料体系齐全,基体有规整蜂窝活性炭、颗粒活性炭、蜂窝陶瓷、金属蜂窝铝、瓦楞网和聚氨酯棉等,产品种类多样齐全,可应用于各种不同场合、不同工况下的臭氧污染消除和利用,形成低、中、高不同浓度臭氧消除和利用产品体系。在核心催化材料基础上,开发系列臭氧分解设备、工业VOCs治理设备和恶臭治理设备。

团队发明的催化材料、产品和治理设备已应用于国内外200余家不同行业类别企业,包括环境保护、工业生产和民用领域等,涉及服务范围达到二十多个省及直辖市,已成功解决各种不同细分领域臭氧污染问题,包括环境污染治理和杀菌消毒(如等离子治理有机废气、高压静电除尘除油烟、臭氧烟气脱硝、臭氧污水处理和消毒、臭氧空气除臭杀菌、室内新风系统、空气净化器)等众多领域臭氧消除和利用;工业生产(如焊接、表面处理和食品加工等行业)和医疗器械、高压放电设备、打印和复印机等众多过程或设备产生臭氧污染的消除和利用;针对印刷、制革厂、塑料加工、垃圾中转站等废气,实现VOCs和恶臭的高效协同治理。

面向国家重大需求

开发专利技术

自新型冠状肺炎疫情爆发以来,团队积极面向国家的重大需求以及国际科学技术难题,基于团队在臭氧消除和利用方面的研究基础和技术成果,成功开发了针对公共场所和交通设施的环境快速、绿色杀菌消毒技术和设备,目前已申请国家发明专利并拟在医院、学校和地铁等投入使用。

▲臭氧污染消除及利用系列材料和产品

(来源:环境科学与工程学院)

相关研究获得国家重点研发计划、NSFC-RGC和广东省科技厅(粤港联合创新)等项目支持,授权发明专利3项、公开发明专利5项,在Applied Catalysis B: Environmental等高水平期刊发表SCI论文20余篇。研究成果获得国内外权威专家的高度认可,获得广东省科学技术发明奖二等奖和广东省环境技术进步奖一等奖等奖励。

▲部分获奖团队成员及奖励证书

(来源:环境科学与工程学院)

长路漫漫,求索不息

虽然研究团队在臭氧消除及利用催化剂的基础研究及工业应用等领域已取得较为重要进展,但黄海保表示“仍然不能松懈,还有很多问题亟待解决,如催化剂长期运行水分累积导致逐渐失活,光解和等离子体降解VOCs过程中产生的有机气溶胶累积导致催化剂失活,如何进一步提高臭氧利用效率和降低催化剂成本,如何实现城市环境空气臭氧污染消除等等。”面对这些难题和挑战,黄海保信心满满:“目前已有较为成熟的解决思路或方案,大部分工作正在执行中,其他的也处于方案可行性讨论阶段。”

臭氧污染攻坚战是一场持久战,臭氧消除和利用仍长路漫漫,需不断求索。

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来源:环境科学与工程学院

责任编辑:谭颖心

初审:郑燕丽

审核:吴立坚、黄艳

审定发布:漆小萍

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