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目前,人类正面临环境污染和能源危机的严峻挑战,有机废物/水处理技术与可再生能源的开发受到普遍关注。超临界水(Supercritical water,SCW)作为一种环境友好反应介质,具有与有机物互溶、反应速度快、反应效率高等特点,超临界水气化(Supercritical water gasification,SCWG)产氢过程被认为是一种能在消除污染物的同时产生清洁能源——H2的技术,然而,由于SCW高温高压的反应条件所造成的高昂的设备投资和运行费用,这一技术目前仍处于实验室研究阶段。本研究通过研制非均相SCWG镍基催化剂,在一套连续流式Inconel625合金反应器中考察水溶性有机化合物的催化超临界水气化(Catalytic Supercritical water gasification,CSCWG)产氢过程,筛选性能优良的催化剂,为SCWG技术的实际应用积累基础数据。
以ZrO2为载体,Ni作为活性组分,通过浸渍、干燥、压片成形、焙烧等步骤制得直径5 mm、厚度1 mm的催化剂圆片,进行CSCWG产氢实验。实验过程中没有发现催化剂的失活,对反应前后的催化剂进行BET、XRD和XRF表征,发现以上催化剂在反应前后的表面物理性质、物相组成以及金属活性组分含量变化不大,说明所制得的催化剂是一种稳定的SCWG催化剂。
在压力24 MPa,反应温度400-500℃,反应停留时间20-120 s条件下,以90 g15%Ni/ZrO2为催化剂考察了聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol,PVA)水溶液的SCWG产氢特性。结果显示,催化剂Ni/ZrO2能有效促进PVA分解产生富氢气体,气体产物中氢气的含量最高可达81.40%。过程探索发现:反应温度的升高能提高PVA气化效率和分解效率,但气体产物中H2的含量随反应温度的升高有所下降;停留时间的变化对气体产物含量没有明显的影响,但延长停留时间能提高PVA的气化效率;PVA气化反应中间产物主要为链状烷烃、环烷烃、芳香烃及小分子酸,根据中间产物出现的顺序推测PVA的降解为由C-C键断裂形成小分子物质,这些小分子物质一部分转化为H2、CO、CH4和CO2,一部分形成难降解的芳香族化合物。
为进一步筛选和研究CSCWG过程非均相镍基催化剂,初次尝试将共沉淀法制备的Ni/ZrO2催化剂及泡沫镍催化剂用于葡萄糖水溶液的CSCWG过程,分析其气体产物组成和气化效率等,结果显示其有一定的催化能力,能降低有机溶液的SCWG反应条件,适用于CSCWG过程。