油頁巖半焦是油頁巖經(jīng)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(chǎn)量巨大，僅窯街煤電集團有限公司每年產(chǎn)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(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要路徑。

　　中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所甘肅省黏土礦物應(yīng)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(jìn)展。

　　油頁巖半焦富含有機質(zhì)和高嶺石、伊利石、伊蒙混層黏土、石英、磁鐵礦等礦物質(zhì)?；趯τ晚搸r半焦礦物學(xué)屬性的認(rèn)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(zhì)為基體構(gòu)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(yīng)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(yīng)用

　　由于油頁巖半焦富含礦物質(zhì)和有機質(zhì)，研究人員采用油頁巖半焦對模擬煤矸石場地進(jìn)行修復(fù)，結(jié)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(zhì)中含有微量多酚類物質(zhì)，當(dāng)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(chǔ)上，采用無氧熱解炭化法制備了礦物/生物炭復(fù)合材料（ZL202010082893.4；ZL201910033297.4），與窯街煤電合作建成1wt/a礦物/生物炭復(fù)合材料生產(chǎn)線，并與相關(guān)單位合作開展了應(yīng)用試驗，施用礦物/生物炭復(fù)合材料有效提升了土壤理化性能和農(nóng)作物產(chǎn)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(gòu)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(fù)、礦物/生物炭應(yīng)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(fù)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(yīng)制備了系列有機/無機復(fù)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(dāng)油頁巖半焦用量為15 wt %時復(fù)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(fù)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(gòu)建了綠色氧化還原聚合體系，實現(xiàn)了室溫條件復(fù)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(shù)可制備具有吸水保水和緩釋肥料的多功能復(fù)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(nóng)業(yè)中的應(yīng)用開辟了新途徑。

圖3 油頁巖半焦基有機/無機復(fù)合保水劑及其對作物的促生長作用

　　為了推進(jìn)油頁巖半焦在公路工程中的應(yīng)用，研究人員與甘肅路橋建設(shè)集團有限公司開展了合作。研究結(jié)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(yīng)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(shè)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(chǔ)。

　　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(xué)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。