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丁辉:化学“显微镜”下的环境与土壤

夏天    2021-12-15 14:23:58   

化学是视觉盛宴,因为它,创造了“法老之蛇”“万花”“大象牙膏”等多种匪夷所思的画面;化学是科技之光,因为它,解决了能源、粮食、环境等诸多问题。这,就是化学的魅力。而天津大学的丁辉,正是化学魅力的探索者和挖掘者。

 

 

提起丁辉,联想到的关键词,就是实验室。那里,是他从事环境化学与土壤修复研究的战场。从倡导“边修复,边增产”农田土壤修复理念到常温常压条件下高效催化氧化挥发性有机物,实验室都是他的主战场,亦是他不斐成绩的发源地。

近年来,丁辉已发表50篇SCI论文;授权发明专利50项,国际专利4项,转让专利10余项,1项专利获“中国专利优秀奖”。其相关科研成果于2018年,获中国环境保护科学技术一等奖;2019年,获中国产学研合作创新成果奖;2020年,获发明创业成果奖。

 

以修复,达增产

为耕者谋利,为食者造福。农耕土壤改良一直是丁辉的科研主攻方向。众所周知,土壤的过度开发,导致土壤的贫瘠和污染。

作为科研人员,丁辉很早便关注到了土壤污染的问题。2013年始,他提出初步“边修复,边增产”的构思并开始研发;2014年,土壤核心料及菌种的研发,完成了土壤改良小试研究;2015年,与安徽乐农环保科技公司成立联合实验室;2016年,进行产业化的中试生产;2017年,合作成立芜湖农耕土壤修复工程中心,经过多年的探索,丁辉带领团队取得了核心技术产业化成果,形成了通过阻控重金属及农药迁移、优化根际微生物群落结构、调控小分子有机碳的修复方案;2020年,开展核心技术输出,助力乡村振兴和有机肥替代化肥行动。

以福建省南靖县的实践数据为例。施用丁辉课题组研发的功能有机肥种植的大葱,葱体长度多出40cm,蒜白直径多出一倍多;种植的苦瓜植株已结明显花果,最大的果实直径达到5cm,施用其它肥的植株相比较矮小,且未见明显花果;种植的辣椒对比化肥组,体长高出25%。

这些的科学的数据表明:丁辉提出的“边修复,边增产”的思路不仅极具前瞻性,也确实达到了修复与增产并行的目标。

 

以化学,治污染

土壤、大气等多介质的环境化学研究成为了生态修复与环境治理的重要支撑。作为百年名校天津大学的科研工作者,丁辉将全部的精力都投入到了环境化学领域。他深知:节约资源和能源,减少人类活动产生的环境负荷,是社会发展的主方向,环境科学技术加速迭代升级势在必行。

随着我国工业化、城镇化的深入推进,能源资源消耗持续增加,大气污染防治压力继续加大。大气环境质量关系到人民群众健康,关系到工农业生产,可影响经济发展。在诸多大气污染源中,VOCs(挥发性有机物)污染极其受到科研界的关注。

VOCs是导致城市灰霾和光化学烟雾的重要前体物,主要来源于煤化工、石油化工、燃料涂料制造、溶剂制造与使用等过程。VOCs参与大气环境中臭氧和二次气溶胶的形成,其对区域性大气臭氧污染、PM2.5污染具有重要的影响。大多数VOCs具有令人不适的特殊气味,并具有毒性、刺激性、致畸性和致癌作用,特别是苯、甲苯及甲醛等对人体健康会造成很大的伤害。在这样的背景下,VOCs的治理探索,被丁辉提上了研发日程。按照化学结构来讲,VOCs可分为八类,但其来源主要有两个方面。一是天然源。包括植物释放、火山喷发等,但科学数据现实,在天然源中,最主要的排放源是森林和灌木林,而最主要的排放物则是异戊二烯和单萜烯。二是人为源。其中,交通运输是全球最大的VOCs人为排放源,溶剂使用是第二大排放源。

了解了危害,了解了源头,丁辉便开始带领团队披荆斩棘。他们以常温常压条件下,VOCs降解能否被高效催化氧化降解为课题,开展创新性研究。

在这个课题未被攻克前,VOCs降解技术停留在:高温条件(200~400℃)下,VOCs的氧化降解才能够发生高效的正向催化反应,如,催化焚烧、蓄热式催化焚烧、低温等离子体、紫外光辅助催化等都是基于该理论。

但是,假如能够在无能量输入的常温常压条件下,发生高效催化VOCs降解反应,不仅可以节省处理过程的能量消耗,还能够提高易燃易爆VOCs气体销毁的安全性。这样的技术才是环境治理需要的前沿技术。

为了攻克该技术,丁辉团队,克服了重重困难,在常温催化氧化技术开展了扎实的科学研究,并获得了突破。目前已取得国际、国内发明专利20余项。

该技术的创新之处在于:原子级活性位点复合催化剂的构建—摒弃催化焚烧高温反应(200~500℃),所制备的系列原子级活性位点复合催化剂可在无外界能量辅助的常温条件下,实现VOCs的高效、安全、低能耗降解。该技术的出现对VOCs末端治理具有里程碑意义。

未来,丁辉将继续在环境和土壤领域深耕精研,为这两个领域的发展贡献自己的力量。

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