毕业时间：2026年9月（博士）

毕业去向：

导师：史权 教授； 何晨 副教授；高飞 教授级高级工程师（中石油）； 周志茂 高级工程师（中科院）

学科专业：化学工程

研究方向：新能源化工

 

学位论文题目

烷基化废酸资源化制备稻壳磺化炭特性及其应用研究

Resource Utilization of Waste Sulfuric Acid from Alkylation for Preparation of Rice Husk Sulfonated Biochar: Characteristics and Application

 

论文摘要

中国石油自主开发的超重力硫酸烷基化技术，因其可强化酸烃传质，从源头减少因烯烃叠合造成的废酸产生，在千吨侧线试验中产品辛烷值较传统烷基化技术提升2个单位，酸耗降低20%以上。然而，当前中国烷基化油年产能已突破2800万吨，即使按超重力工艺目前的酸耗水平估算，每年仍会产生巨量烷基化废硫酸（WSAA），其处理依然是全行业亟待突破的核心问题。WSAA作为炼油工业中的一种典型危险废物，处理成本高、环境风险突出，而传统高温裂解再生工艺存在能耗高、碳排放量大等问题。同时，农业废弃物稻壳的大量堆积与露天焚烧也造成了严重的资源浪费与环境污染。针对上述问题，本文提出“以废治废”的绿色循环理念，利用烷基化废酸与稻壳通过一步炭化/磺化工艺制备磺化炭（SBC），系统研究了其理化特性，以及衍生溶解性有机质（SBC-DOM）的分子组成与环境行为，并考察了其在油田采出废水和制药废水处理中的应用效能与机制，最后通过热再生实现了废炭的资源化循环利用。论文主要内容及结论如下：

（1）揭示了烷基化废酸与稻壳共炭化/磺化反应路径。SBC表面富含-SO₃H、-COOH、-OH等活性官能团，总酸密度高达4.01 mmol/g，比表面积为11.80 m²/g，相较于传统热解炭（PYC）与水热炭（HYC），SBC在官能团丰度、表面酸密度及热稳定性方面均具有显著优势。反应路径分析表明，稻壳中的纤维素、半纤维素及废酸中的酸溶油（ASO）经历解聚、水解、脱水、缩合、芳构化及磺化反应，最终形成富含硫、氧元素的多环芳烃结构。

（2）从分子水平系统解析了SBC-DOM的化学组成与多样性。SBC-DOM以CHOS和CHONS类化合物为主（占比超过85%），具有较高的H/C比、O/C比及生物可利用性（MLBL%达58.73%），且易于被微生物降解。不同极性溶剂（水、甲醇、丙酮、二氯甲烷）对SBC-DOM的提取表现出显著选择性，甲醇提取物分子多样性最高，水提取物生物活性最强，丙酮与二氯甲烷提取物芳香性相对更高。研究结果为评估SBC在不同应用场景中的环境行为与生态风险提供了基础数据。

（3）阐明了SBC-DOM在矿物界面的分馏行为及其对重金属（Cu）迁移固定的影响机制。水铁矿（Fh）通过配体交换与静电作用优先吸附高O/C、高芳香性组分，显著降低了残留DOM的Cu络合能力，同时形成的有机-矿物复合体（MOA-Fh）使Cu(II)吸附容量提高了115%；而高岭石（Kl）优先吸附CHON类及低O/C疏水性组分，导致残留DOM中富氧官能团相对富集，反而增强了其对Cu(II)的络合亲和力，存在潜在的环境风险。该研究从分子层面揭示了SBC-DOM在矿物界面作用中的双重环境效应。

（4）验证了SBC对实际油田采出废水（OPW）与制药废水（PW）的高效处理能力。在OPW处理中，60 g/L SBC对NH₄⁺-N、Ca²⁺、Mg²⁺及重金属（Cd²⁺、Cu²⁺）的去除率分别达89.6%，96.3%，99.4%和100%，其通过化学络合、离子交换、静电吸引及孔隙填充等多重机制协同去除各类污染物，且经6次酸/碱交替再生循环后仍保持稳定吸附性能。在PW处理中，SBC对氨氮、重金属及结垢阳离子同样表现出良好去除效果（NH₄⁺-N去除率77.3%，多数金属离子去除率>98%），但对有机物的去除能力有限（COD去除率小于30%），且高投加量下会释放SBC-DOM，导致出水pH降低、芳香性增强。

（5）提出废炭热再生与协同增效的循环利用策略。吸附饱和后的SBC经600 ℃热再生后，表面活性官能团虽大量分解（再生炭对氨氮的去除率降至10.68%），但比表面积大幅提升至362.07 m²/g，孔容积达0.16 cm³/g，同时SBC-DOM释放量降至0.018 mg/g。将原始SBC与RSBC-600联合应用，可在保持SBC对氨氮、重金属高效去除的同时，显著提升有机物的去除效果。在原SBC投加量基础上额外补充1/2投加量RSBC-600后，溶解性有机碳（DOC）去除率由25.5%提升至79.2%，实现了无机与有机污染物的协同高效去除。

综上，本研究以烷基化废酸为磺化剂、以稻壳为原料，通过一步炭化/磺化制备了富含活性官能团的SBC。系统解析了SBC-DOM的分子组成与环境行为，验证了SBC对油田采出废水和制药废水中无机与有机污染物的协同去除能力，并通过废炭热再生实现了SBC与再生炭（RSBC-600）的功能互补。该“以废治废”的循环利用模式，为烷基化废酸的高效资源化与复杂工业废水处理提供了理论依据与技术支撑。

关键词：烷基化废酸；磺化炭；磺化炭衍生溶解性有机质；吸附剂；废炭热再生

 

创新点

（1）系统揭示了烷基化废酸与稻壳共炭化/磺化反应路径，阐明了原料组分向磺化炭转化的过程，通过与热解炭、水热炭的对比分析，明确了磺化炭在表面化学与结构特性上的显著优势。（见第2章）

（2）采用傅立叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）结合多溶剂提取技术，从分子水平系统解析了磺化炭衍生溶解性有机质（SBC-DOM）的分子组成、化学多样性与生物可利用性，揭示了不同极性溶剂对SBC-DOM组分的选择性提取特性及其分子稳定性差异。（见第3章）

（3）阐明了SBC-DOM在矿物界面的分馏行为及其对铜（Cu）迁移固定的影响机制，揭示了SBC-DOM对矿物-有机物复合体形成及重金属络合能力的调控作用，为磺化炭在土壤修复中的应用提供了分子层面的理论依据。（见第4章）

（4）以油田采出废水和制药废水为典型处理对象，系统考察了磺化炭对实际废水中多种污染物的吸附去除性能与机理，建立了吸附-再生全流程评价体系，并提出了基于热再生的废炭循环利用策略，拓展了磺化炭在多类型废水处理中的应用潜力。（见第5、6章）

 

发表学术论文

1. [1]1. 蒋郑峰，王若欣，高飞，周智茂，史权，于海濛，李应文，周华群，何晨. 磺化炭的制备及其应用研究进展[J]. 过程工程学报, 2025, 25(8): 775−791。（本博士学位论文第一章）

2. [2]2. Zhengfeng Jiang, Chen He, Fei Gao, Quan Shi, Yang Chen, Haimeng Yu, Zhimao Zhou, Ruoxin Wang. Molecular characteristics of derived organic matter from sulfonated biochar prepared via low temperature carbonization techniques[J]. Environmental Science Processes & Impacts, 2024, 26, 164.（本博士学位论文第三章）

3. [3]3. 蒋郑峰，何晨，史权，高飞，周志茂，于海濛，王若欣. 磺化炭中不同溶剂提取的有机质分子组成特征[J].环境科学研究, 2024, 38(2):376-385。（本博士学位论文第三章）

4. [4]4. Zhengfeng Jiang, Chen He, Haimeng Yu, Zhimao Zhou, Fei Gao, Quan Shi. Binding Characteristics of Sulfonated Biochar-DOM with Minerals: Molecular Fractionation and its Facilitation to Cu(II) Immobilization[J]. Environmental Research, 2026, 306: 125074.（本博士学位论文第四章）

5. [5]5. Zhengfeng Jiang, Chen He, Quan Shi, Yang Chen, Sutian Ma, Zhimao Zhou, Haimeng Yu, Fei Gao. Efficient removal of ammonium, heavy metals, and scale-forming cations from oilfield produced water by sulfonated biochar [J]. ACS EST & Water, 2026, 6, 1, 317-327.（本博士学位论文第五章）

6. [6]6. 蒋郑峰，何晨，于海濛，史权，周志茂，高飞. 磺化炭与热再生废炭协同强化制药废水处理[J]，高校化学工程学报（EI）,2026（已录用）。（本博士学位论文第六章）

 

授权发明专利

1. [7]蒋郑峰，周志茂，何晨，史权。一种磺化炭-改性炭复合材料及其制备方法与应用。(专利号：ZL 2025 1 1588619.3).