《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Flash Joule heating: An ultrafast electrothermal strategy for solid waste valorization and resource recovery
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快速焦耳热（FJH）技术通过瞬时高温（>3000K，毫秒级）处理固体废物，高效转化为石墨烯、金属掺杂纳米材料及高容量电极等高附加值产品，较传统热解法提升反应速率与能效，减少碳排放。但规模化应用面临产品一致性、电极老化及环境影响评估等挑战，需深化机理研究以优化技术路径。
Kaiyue Yin|Bing Deng|Rongtao Zhu|Fei Lian
河北工业大学能源与环境工程学院污染控制与环境健康研究所，天津，300401，中国
摘要
闪速焦耳加热（FJH）作为一种超快且节能的技术，已被用于可持续的固体废物增值处理。通过施加超快电脉冲，FJH能够在毫秒内实现多种废物的瞬时热处理（温度超过3000 K），将其转化为高附加值产品，如石墨烯、掺杂金属的纳米材料和高容量电极。与传统的热解和气化方法相比，FJH具有更快的反应动力学、更高的效率以及更好的经济可行性。本文综述了FJH技术的最新进展和知识空白，分析了其基本原理和机制。我们全面评估了通过FJH处理得到的固体废物及其在各个领域的潜在应用。此外，通过对比FJH与超声辅助剥离法和Hummer法制备石墨烯的生命周期评估，发现FJH可以显著降低能耗和碳排放。本文还指出了将FJH技术扩大到工业规模时面临的一些问题，包括产品均匀性、电极老化和潜在的环境影响。最后，我们提出了未来研究的方向，强调了进行相变机理研究以推动FJH在可持续废物处理和低碳生产中的应用。
引言
快速的经济发展和城市化导致了固体废物产量的显著增加[1,2]。根据联合国环境规划署（UNEP）2024年的数据，2023年全球产生了21亿吨城市固体废物，并预计未来几年这一数字还将继续增长[3,4]。城市固体废物通常根据物理化学性质被分类为可回收物、厨余垃圾、危险废物和残余废物[5]。大量固体废物（如微塑料、废电池和钢渣）引发了严重的环境污染问题，例如土壤退化、水体富营养化和酸雨[6],[7],[8]。这些环境问题最终会通过食物链和各种环境介质对人类健康构成威胁[9,10]。固体废物也是温室气体排放的主要来源之一（例如，2000年至2017年间占全球人为甲烷排放量的20%），对全球气候变化产生了深远影响[11]。由于生物质、塑料和电子废物等固体废物具有较高的热化学转化性，因此可以通过热解有效转化和回收[12],[13],[14]。然而，由于能量效率低下、经济限制以及设备和工程方面的限制，目前的利用率仍然较低。大约70%的固体废物被露天堆放或送往垃圾填埋场，未能得到利用[15]。因此，技术创新对于加强固体废物的资源利用、满足对生产力、低碳发展和能源优化的需求至关重要。
为应对这一需求，已经开发出了多种处理方法，其中生物处理和热处理是目前回收固体废物的两大主要方法[16]。生物处理（如厌氧消化和堆肥）可以实现有效的有机废物管理和养分回收，但需要较长的时间和足够的空间来完成生物转化和降解[17]。相比之下，热处理（如焚烧、热解和气化）可以在更短的时间内实现高效的能量转化[18,19]。然而，这些传统热处理方法受到反应动力学缓慢、能耗高以及二次污染物和温室气体排放的制约，难以同时实现污染控制和碳排放减少[20]。需要开发更环保、更高效的技术来有效利用固体废物。在这种情况下，闪速焦耳加热（FJH）作为一种有前景的替代方案应运而生。作为一种电热技术，FJH利用焦耳加热效应将电能通过电阻加热在几毫秒到几秒内转化为热能[21]。与传统的热解方法相比，FJH在转化效率、产品选择性和脱碳率方面具有显著优势[22]。在FJH过程中，电脉冲直接施加到电阻材料上，迅速将目标材料加热到高温，然后迅速冷却[23]。因此，这一过程几乎可以在所有固体废物中实现非平衡相变[24]。同时，该过程可以在100毫秒内产生高达1000安培的电流。当与适当的电阻材料结合使用时，由于强烈的局部加热，温度可以超过3000 K[25]。极高的温度使有害成分（如重金属、芳香化合物和有机氟化物）挥发，或将其结构整合到碳基质中，从而实现有效的解毒[16,26]。此外，FJH独特的非平衡热力学特性使得在原子尺度上实现精确的结构控制成为可能。通过调节脉冲参数，可以精确调控材料的关键性质，包括缺陷密度和层间间距，从而比传统工艺更高效、更准确地合成目标产品[27,28]。
尽管具有这些优势，作为新兴的固体废物处理技术，FJH仍需进一步优化以提高其技术和经济可行性。虽然已有研究探讨了FJH在纳米材料合成和锂离子电池回收中的应用[15,40,38]，但系统地阐明FJH的电热转化机制、合成方法、产品特性及其在固体废物处理中的应用潜力仍然有限。理解相变机制和关键路径，并从环境角度进行大规模评估，对于优化FJH的操作参数、最大化其在可持续废物处理中的潜力至关重要。因此，本文的目的是（1）批判性地评估FJH的基本原理、其对资源回收和增值的贡献及其相关的环境足迹；（2）为将FJH与可扩展的绿色制造相结合以生产高附加值材料提供指导。
章节摘录
由焦耳加热效应驱动的瞬时超高温度
电流通过导体时，由于载流子的散射会产生电阻加热现象，这一现象遵循焦耳第一定律[41]。电流通过导体时产生的热量与电流强度的平方、导体本身的电阻以及电流通过的时间成正比，即Q = I2Rt（Q：电流通过导体时产生的热量（焦耳）；I：通过的电流
从多种废物中制备石墨烯
FJH技术最值得注意的应用之一是将含碳固体废物转化为石墨烯[72,73]。由于其独特的二维原子晶体结构，石墨烯展现出优异的机械性能，并在多个领域得到广泛应用（如电子、能源存储、先进材料、生物医学和环境保护）[74],[75],[76],[77]。虽然化学气相沉积（CVD）目前仍是主要的方法
利用FJH进行城市资源回收
城市资源回收是指从人工产生的材料中回收化合物、元素和能源的过程[120]。随着工业化需求的增长和初级资源的减少，城市资源回收作为一种可持续的替代方案应运而生，它利用了丰富的二次材料，并且与传统采矿方法相比显著减少了环境影响[121,122]。传统的城市资源回收技术主要包括
FJH的环境足迹
FJH系统能够在极短时间内实现纳米材料的克级合成或固体废物的回收和升级，显示出显著的处理效率。然而，将这项技术从实验室规模扩大到工业生产需要全面评估其整个产品生命周期（从原材料提取和制造到使用和最终处置）的环境影响。对FJH进行系统的生命周期评估（LCA）
总结与展望
本文全面探讨了FJH技术在固体废物处理中的应用，包括其基本原理、操作过程、衍生产品、潜在应用和环境影响评估。作为一种新兴的固体废物处理技术，FJH在多种废物处理场景中展示了良好的应用前景。与传统方法相比，FJH具有更高的处理效率，这归功于其
CRediT作者贡献声明
Kaiyue Yin：撰写——初稿、可视化、研究、审稿与编辑。Bing Deng：资金获取、审稿与编辑。Rongtao Zhu：监督、研究、审稿与编辑。Fei Lian：监督、资源协调、资金获取、审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（42477263、41977278）、天津市自然科学基金（23JCYBJC00940）、河北省自然科学基金（D2022202004）、河北省中央政府指导的科技发展基金（236Z7301G）以及国家重点研发计划（编号2024YFC3907000）的支持。
