离子液体催化亚临界水液化与超临界水气化碱木质素的协同机理研究

Recently, studies on hydrothermal conversion of black liquor have become a research hotspot in the field of biomass energy utilization, but improving the gasification efficiency of black liquor alkali lignin is difficult. Researches show that hydrothermal conversion efficiency of biomass can be improved, when combining subcritical water liquefaction and supercritical water gasification process. Based on this, this project will screen a kind of ionic liquids, as a "green" catalyst and solvent in subcritical water liquefaction reaction, which will enhance subcritical water liquefaction reaction. Then, qualitative and quantitative analysis of liquefied products will be conducted to study the mechanism of subcritical water liquefaction reaction of alkali lignin catalyzed by ionic liquids, and the directional regulation of liquefaction reaction selectivity will be realized to promote subsequent gasification reaction. And based on gasification law of liquefied products in supercritical water, liquefaction and gasification reaction parameters will be coordinately controlled to obtain the optimal matching parameters between the two step reactions. At last, coordinated mechanisms between subcritical water liquefaction and supercritical water gasification will be revealed to promote gasification of alkali lignin. The project is expected to provide a new breakthrough and theoretical basis for efficient gasification of alkali lignin in relatively low temperature, in order to push forward on harmlessness and resource utilization of black liquor.

水热法处理造纸黑液是生物质能利用领域的研究热点，而提高黑液中碱木质素的转化效率是难点。研究表明，利用亚临界水液化和超临界水气化两步处理法，可以有效提高生物质水热转化效率。据此，本项目拟制备并筛选出一种功能化离子液体，作为亚临界水液化反应的“绿色”催化剂和溶剂，实现液化反应的强化；然后，通过对液化产物的定性和定量分析，研究离子液体催化亚临界水液化碱木质素的反应机理，实现反应选择性的定向调控以促进后续气化反应；再以液化产物在超临界水中的气化规律为基础，协同调控液化和气化参数，重点研究亚临界水液化与超临界水气化参数的最优匹配原则，最终总结出两步反应间的协同机理。该项目的实施有望为碱木质素的低温高效气化提供理论依据和新的突破点，从而推动造纸黑液的无害化与资源化利用进程。

水热法处理造纸黑液等有机废物是生物质能利用领域的研究热点，而提高以碱木质素为代表的有机废弃物的水热转化效率是难点。本研究以碱木质素等有机废弃物为原料，在开发的两套亚临界水/超临界水气化制氢系统上进行了碱木质素等有机物的制氢规律研究，探索了有机废弃物完全气化反应条件，实现了碱木质素在超临界水中的完全气化，当有机物浓度为5wt%，温度850℃，压力30Mpa，反应时间为15min时，气化率最高可达120%（气体产物质量/垃圾干物质质量），碳气化率接近98%；以气化反应结果为依据，进行了超临界水气化反应动力学模拟；通过对随机颗粒模型进行修正获得的半经验随机颗粒模型可以准确的预测有机废弃物气化反应结果，同时提出了可以预测有机废弃物碳气化率的反应动力学方程及气化反应机理；通过离子液体对有机废弃物进行预液化处理的两步气化方法，可以有效提升有机物在气化过程中的碳气化率，验证了离子液体辅助的亚临界水/超临界水气化协同方法的可行性，相应的基于超/亚临界水工艺的有机废弃物两步处理系统与方法也已获得发明专利授权；超临界水部分氧化的方法可以进一步提高碳气化率，随着氧化剂当量的提高，碳气化率大幅提高，但氢气产率逐渐减小；最后分析研究了超临界水气化制氢系统的环境影响并提出了系统环境性能优化方法，结果表明系统的温室气体排放当量与太阳能多步循环制氢技术相当。目前本项目组已在《Fuel》发表SCI论文2篇、《Energy and Conversion and Management》上发表SCI论文1篇（已接收），国际会议论文2篇，授权发明专利1项，培养硕士生2名。此外，本项目组还与美国普渡大学Lu Na教授等就新型催化材料和超临界水气化制氢开展合作研究，合作发表学术论文1篇。项目研究成果不仅对碱木质素的无害化和资源化处理具有重要的理论与应用价值，而且对治理其他有机废弃物、保护环境具有重要的参考价值。