Sustainable valorization of asphaltenes via flash joule heating

通过闪蒸焦耳加热实现沥青质的可持续增值

第一作者: M.A.S.R. Saadi (莱斯大学)

通讯作者: Md Golam Kibria (卡尔加里大学), James M. Tour (莱斯大学), Pulickel M. Ajayan (莱斯大学), Muhammad M. Rahman (莱斯大学)

DOI: 10.1126/sciadv.add3555

PDF原文

期刊: Science Advances | 发表年份: 2022

论文亮点

通过闪蒸焦耳加热（FJH）过程，将低价值的沥青质成功转化为高质量的石墨烯材料（AFG）
开发的AFG-聚合物纳米复合材料展现出优异的机械性能、热性能和防腐性能，同时生命周期评估显示该过程环境友好且成本低廉

研究背景

石油精炼过程产生大量沥青质副产物，目前主要通过燃烧处理或填埋处置，导致环境问题和资源浪费
全球沥青质储量估计达1-2万亿桶，但其低生物降解性和反应性使得传统处理方法面临挑战
沥青质富含碳元素（70-80%），具有作为碳材料前体的巨大潜力，但现有回收方法未能实现其高价值转化

研究方法

本研究采用以下系统方法：

材料制备：将沥青质粉末与20%的导电炭黑混合，通过球磨确保均匀混合
闪蒸焦耳加热（FJH）过程：将混合物置于石英管中，通过高压电脉冲（185V, 250V, 250V, 370V）在极短时间内（＜1秒）加热至3000K以上，实现沥青质向石墨烯的转化
材料表征：使用拉曼光谱、热重分析（TGA）、X射线光电子能谱（XPS）、X射线衍射（XRD）和高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）对产物进行全面表征
分子动力学模拟：采用ReaxFF反应力场模拟沥青质向石墨烯的转化机制
纳米复合材料制备：将AFG分散到环氧树脂中，通过模具铸造或3D打印技术制备纳米复合材料
性能测试：对复合材料的机械性能、热性能和防腐性能进行系统评估
环境与经济分析：进行生命周期评估（LCA）和技术经济分析，评估该技术的环境效益和经济效益

主要结论

FJH过程成功将沥青质转化为高质量的石墨烯（AFG），转化率约45%，AFG产率超过95%，且缺陷浓度低
AFG-环氧树脂纳米复合材料在1wt%加载量下表现出最佳机械性能，抗拉强度提高37%，杨氏模量提高12%
该技术显著降低了沥青质处理的环境影响，生产成本低于其他石墨烯制备方法，为沥青质的高价值利用提供了可行途径

图1: 从沥青质制备闪蒸石墨烯的过程示意图

图1A展示了沥青质可持续增值的概念示意图；图1B显示了研磨后的沥青质粉末、FJH装置在闪蒸处理过程中的照片、AFG产物以及AFG薄片的TEM图像

分析结果：该图直观展示了整个研究过程，从原始沥青质材料到最终的石墨烯产物。FJH过程能够在极短时间内实现沥青质向石墨烯的高效转化，TEM图像证实了成功生成了石墨烯结构。

图2: AFG的物理化学表征和转化过程的原子模拟

图2展示了AFG的多种表征结果：(A)拉曼光谱；(B)TGA分析；(C)XPS调查谱；(D-E)高分辨率C1s谱；(F)XRD谱；(G-H)TEM图像；(I)横向尺寸分布；(J)分子动力学模拟；(K)径向分布函数的时间演化

分析结果：综合表征结果表明FJH过程成功将沥青质转化为高质量石墨烯。拉曼光谱显示低的D/G峰强度比(0.244)表明低缺陷浓度；TGA显示AFG的热稳定性显著提高；XPS证实碳含量从93%增加到99%，杂原子含量大幅减少；XRD显示成功的石墨化；TEM显示平均横向尺寸为25.4nm；分子模拟揭示了转化机制。

图3: 环氧-AFG纳米复合材料的力学性能和3D打印性能

图3展示了环氧-AFG纳米复合材料的性能：(A)应力-应变曲线；(B-C)断裂表面分析；(D-F)力学性能比较；(G)表观粘度与剪切速率关系；(H)储能模量和损耗模量；(I)3D打印结构

分析结果：添加1wt% AFG的纳米复合材料表现出最佳力学性能，抗拉强度提高37%，杨氏模量提高12%。断裂表面分析显示AFG增加了材料韧性，促进了多重剪切带形成。流变学研究表明添加气相二氧化硅后，材料适合3D打印，成功制备了复杂结构。

图4: 环氧-AFG纳米复合材料的热性能

图4展示了环氧-AFG纳米复合材料的热性能：(A)温度分布图；(B)表面温度线剖面；(C)时间相关散热行为；(D)热模拟几何结构；(E)实验与计算温度剖面比较；(F)5wt%样品的表面形态；(G)热导率比较

分析结果：AFG的加入显著改善了复合材料的热性能。随着AFG加载量增加，热导率从0.18W/(m·K)(纯环氧)增加到0.46W/(m·K)(5wt% AFG)，提高了155%。SEM图像显示在较高加载量下形成了密集互连的AFG网络，促进了热传递。

图5: 环氧-AFG纳米复合材料涂层的防腐性能

图5展示了环氧-AFG纳米复合材料涂层的防腐性能：(A)光学图像对比；(B)暴露前后照片；(C)动电位极化曲线；(D)电化学阻抗谱；(E)等效电路模型

分析结果：添加10wt% AFG的环氧涂层表现出卓越的防腐性能。与纯环氧涂层和裸低碳钢相比，环氧-AFG涂层具有更正的腐蚀电位(-13.3mV)，腐蚀速率降低了4-5个数量级。电化学阻抗谱显示电荷转移电阻提高了3个数量级，表明AFG形成了有效的防腐屏障。

图6: AFG的环境影响和成本分析

图6展示了AFG的环境影响和成本分析：(A)生命周期评估比较；(B)与各种FJH前驱体的生产成本比较；(C)与CVD法制备石墨烯的成本比较

分析结果：生命周期评估显示，与沥青质燃烧相比，FJH过程在所有影响类别（气候变化、淡水富营养化、矿物和金属资源耗竭等）中都显著降低了环境影响。技术经济分析表明，AFG的生产成本仅为2.15美元/公斤，远低于其他FJH前驱体制备的石墨烯和CVD法制备的石墨烯。