油页岩半焦是油页岩经干馏提取页岩油后剩余的固体废弃物。由于油页岩矿化程度高、含油量低，油页岩半焦产量巨大，仅窑街煤电集团有限公司每年产出60万吨，目前主要以堆存方式处理。因此，对油页岩半焦资源化利用是油页岩产业可持续发展的重要路径。

　　中国科学院兰州化学物理研究所甘肃省黏土矿物应用研究重点实验室基于油页岩半焦特性，开展了系统研究并取得系列进展。

　　油页岩半焦富含有机质和高岭石、伊利石、伊蒙混层黏土、石英、磁铁矿等矿物质。基于对油页岩半焦矿物学属性的认知，研究人员提出从矿物材料视角探究油页岩半焦资源化利用途径（图1）。利用窑街煤电油页岩半焦富鉄低钙的特性，直接以油页岩半焦所含矿物质为基体构筑了高性能铁系杂化颜料（Adv. Powder Technol., 2020, 31: 2276-2284.；ZL201910503945.8和ZL201811635013.0）。该系列杂化颜料具有优异的呈色性能、热稳定性、耐酸性和耐盐雾性能，可替代现有市售铁系颜料，应用于防腐涂料和陶瓷颜料等（图1）。

图1 油页岩半焦资源化利用途径和油页岩半焦基铁红杂化颜料及应用

　　由于油页岩半焦富含矿物质和有机质，研究人员采用油页岩半焦对模拟煤矸石场地进行修复，结果表明不同用量油页岩半焦对植物生长有明显影响（图2）。由于有机质中含有微量多酚类物质，当油页岩半焦用量大于15wt%时对植物生长有一定抑制作用。在此基础上，采用无氧热解炭化法制备了矿物/生物炭复合材料（ZL202010082893.4；ZL201910033297.4），与窑街煤电合作建成1wt/a矿物/生物炭复合材料生产线，并与相关单位合作开展了应用试验，施用矿物/生物炭复合材料有效提升了土壤理化性能和农作物产量（图2）。此外，基于以废治废的策略，研究人员利用水热辅助酸、碱处理油页岩半焦，构筑了不同功能吸附材料，实现了对水体阴/阳染料分子的高效吸附（图2）（Colloid. Surf. A, 2022, 637: 128251.；J. Colloid Interf. Sci., 2022, 626: 674-686.；ZL201910672730.9）。

图2 模拟煤矸石场地修复、矿物/生物炭应用试验及油页岩半焦基功能吸附材料

　　黏土矿物基有机/无机复合保水剂有较好的吸水保水性能。研究人员采用油页岩半焦通过自由基聚合反应制备了系列有机/无机复合功能保水剂（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，当油页岩半焦用量为15 wt %时复合保水剂具有最高吸水倍率。通过引入天然高分子和黄腐酸等可赋予复合保水剂降解、缓释和促生长功能（图3）；利用煅烧油页岩半焦中铁氧化物构建了绿色氧化还原聚合体系，实现了室温条件复合保水剂的可控制备（Colloid. Surf. A, 2022, 648,129439）；基于油页岩半焦的双亲属性，通过Pickering乳液技术可制备具有吸水保水和缓释肥料的多功能复合保水剂（Eur. Polym. J., 2021, 159, 110750）。该系列研究工作为油页岩半焦在节水农业中的应用开辟了新途径。

图3 油页岩半焦基有机/无机复合保水剂及其对作物的促生长作用

　　为了推进油页岩半焦在公路工程中的应用，研究人员与甘肃路桥建设集团有限公司开展了合作。研究结果证实，油页岩半焦基矿物胶凝材料在特殊土体加固、半刚性基层和水泥混凝土等方面具有优异的应用性能。近日双方共同开展了油页岩半焦基胶凝材料加固土铺筑试验（图4）。铺筑试验段选取S102线中川至龙泉公路兰州中川国际机场生活区路段改造工程，主要针对工程所在黄土地区地基加州承载比不能满足路床设计要求，拟定对该路段上路床填筑油页岩半焦基矿物胶凝材料加固黄土，考察不同掺合量（5%、10%和15%）对路用性能的影响规律，以期为油页岩半焦在公路工程中的大宗利用奠定坚实的基础。

　　上述研究工作得到了甘肃省科技重大项目、甘肃省重点研发项目、中科院“区域发展青年学者”项目、兰州化物所“十四五”重点培育项目和兰州市科技重大专项项目的支持。