油頁巖半焦是油頁巖經干餾提取頁巖油后剩余的固體廢棄物。由于油頁巖礦化程度高、含油量低，油頁巖半焦產量巨大，僅窯街煤電集團有限公司每年產出60萬噸，目前主要以堆存方式處理。因此，對油頁巖半焦資源化利用是油頁巖產業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要路徑。

　　中國科學院蘭州化學物理研究所甘肅省黏土礦物應用研究重點實驗室基于油頁巖半焦特性，開展了系統(tǒng)研究并取得系列進展。

　　油頁巖半焦富含有機質和高嶺石、伊利石、伊蒙混層黏土、石英、磁鐵礦等礦物質?；趯τ晚搸r半焦礦物學屬性的認知，研究人員提出從礦物材料視角探究油頁巖半焦資源化利用途徑（圖1）。利用窯街煤電油頁巖半焦富鉄低鈣的特性，直接以油頁巖半焦所含礦物質為基體構筑了高性能鐵系雜化顏料（Adv. Powder Technol., 2020, 31: 2276-2284.；ZL201910503945.8和ZL201811635013.0）。該系列雜化顏料具有優(yōu)異的呈色性能、熱穩(wěn)定性、耐酸性和耐鹽霧性能，可替代現(xiàn)有市售鐵系顏料，應用于防腐涂料和陶瓷顏料等（圖1）。

圖1 油頁巖半焦資源化利用途徑和油頁巖半焦基鐵紅雜化顏料及應用

　　由于油頁巖半焦富含礦物質和有機質，研究人員采用油頁巖半焦對模擬煤矸石場地進行修復，結果表明不同用量油頁巖半焦對植物生長有明顯影響（圖2）。由于有機質中含有微量多酚類物質，當油頁巖半焦用量大于15wt%時對植物生長有一定抑制作用。在此基礎上，采用無氧熱解炭化法制備了礦物/生物炭復合材料（ZL202010082893.4；ZL201910033297.4），與窯街煤電合作建成1wt/a礦物/生物炭復合材料生產線，并與相關單位合作開展了應用試驗，施用礦物/生物炭復合材料有效提升了土壤理化性能和農作物產量（圖2）。此外，基于以廢治廢的策略，研究人員利用水熱輔助酸、堿處理油頁巖半焦，構筑了不同功能吸附材料，實現(xiàn)了對水體陰/陽染料分子的高效吸附（圖2）（Colloid. Surf. A, 2022, 637: 128251.；J. Colloid Interf. Sci., 2022, 626: 674-686.；ZL201910672730.9）。

圖2 模擬煤矸石場地修復、礦物/生物炭應用試驗及油頁巖半焦基功能吸附材料

　　黏土礦物基有機/無機復合保水劑有較好的吸水保水性能。研究人員采用油頁巖半焦通過自由基聚合反應制備了系列有機/無機復合功能保水劑（J. Polym. Environ., 2021, 29: 4017-4026.；Int. J. Biol. Macromol., 2021, 179: 230-238；Polym. Bull., 2022, 79: 935-953；2022, https://doi.org/10.1007/s00289-022-04099-0.；ZL2021102357013；ZL202010088419.2；ZL202010082893.4；ZL201910769952.2）。研究表明，當油頁巖半焦用量為15 wt %時復合保水劑具有最高吸水倍率。通過引入天然高分子和黃腐酸等可賦予復合保水劑降解、緩釋和促生長功能（圖3）；利用煅燒油頁巖半焦中鐵氧化物構建了綠色氧化還原聚合體系，實現(xiàn)了室溫條件復合保水劑的可控制備（Colloid. Surf. A, 2022, 648,129439）；基于油頁巖半焦的雙親屬性，通過Pickering乳液技術可制備具有吸水保水和緩釋肥料的多功能復合保水劑（Eur. Polym. J., 2021, 159, 110750）。該系列研究工作為油頁巖半焦在節(jié)水農業(yè)中的應用開辟了新途徑。

圖3 油頁巖半焦基有機/無機復合保水劑及其對作物的促生長作用

　　為了推進油頁巖半焦在公路工程中的應用，研究人員與甘肅路橋建設集團有限公司開展了合作。研究結果證實，油頁巖半焦基礦物膠凝材料在特殊土體加固、半剛性基層和水泥混凝土等方面具有優(yōu)異的應用性能。近日雙方共同開展了油頁巖半焦基膠凝材料加固土鋪筑試驗（圖4）。鋪筑試驗段選取S102線中川至龍泉公路蘭州中川國際機場生活區(qū)路段改造工程，主要針對工程所在黃土地區(qū)地基加州承載比不能滿足路床設計要求，擬定對該路段上路床填筑油頁巖半焦基礦物膠凝材料加固黃土，考察不同摻合量（5%、10%和15%）對路用性能的影響規(guī)律，以期為油頁巖半焦在公路工程中的大宗利用奠定堅實的基礎。

　　上述研究工作得到了甘肅省科技重大項目、甘肅省重點研發(fā)項目、中科院“區(qū)域發(fā)展青年學者”項目、蘭州化物所“十四五”重點培育項目和蘭州市科技重大專項項目的支持。