利用碳基/铝基炼化废弃物制备臭氧催化剂处理炼化废水的应用基础研究

Waste disposals and wastewater discharges are hindering sustainable development of petrochemical industries. The objective of this study is to prepare carbon and carbon-aluminum based catalysts along with controllably catalytic pyrolysis of petrochemical wastes. The catalysts are expected to show excellent catalytic performances for ozonation of the recalcitrant petrochemical wastewater. Double-effect mechanisms upon catalytic pyrolysis and catalytic ozonation by the metals, alumina and zeolites, which are originally in petrochemical wastes, are to be deeply investigated. Structure-activity relationships between pyrolysis/preparation conditions with production patterns of oil and gases, catalyst structures and activities are to be established. This study will realize both the full-component utilization for petrochemical wastes and the cost-efficient treatment for petrochemical wastewaters. Petrochemical wastes and wastewaters management may be synchronously improved by employing a “wastes-treat-wastes” strategy.

“废弃物处置”与“废水排放提标”是制约炼化行业可持续发展的两大瓶颈。本项目拟以碳基/铝基炼化废弃物为原料，利用可控的催化热解回收油气能源，并同步制备出碳基和碳-铝复合基催化剂，应用于炼化废水催化臭氧氧化“提标”处理。通过建立热解/制备条件与油气转化规律、催化剂结构特性及催化活性之间的构效关系，深入研究废弃物中金属、氧化铝以及分子筛等复合活性组分协同催化热解和催化臭氧氧化的双效作用机理。通过“以废治废”，同时开发出炼化废弃物的全组分资源化技术和炼化废水的低成本“提标”处理技术，为炼化行业“废弃物”和“废水”难题的联合解决提供理论和实践指导。

针对炼化行业含油剩余污泥、含油废白土、废催化裂化（FCC）催化剂等大宗废弃物处置过程中的能耗高、资源浪费与次生污染等突出难题，开发出基于“能量转化利用+催化材料制备”的全组分资源化技术路线。实现了催化热解产能过程与催化剂制备过程的相统一，在高收率获得油气能源的同时，制备出复合活性组分负载的碳基和碳-铝复合基催化剂，并深入探索了复合活性组分之间的共存和互补作用机制，及其在催化热解和催化臭氧氧化过程中的双效作用机理。1）以含油剩余污泥自催化热解制备出生物碳基催化剂，污泥中的C、Si和金属杂质热解过程中在生物炭表面形成含C官能团、Si-O结构和金属氧化物等复合活性位，共同催化臭氧分解产生更多•OH；臭氧氧化体系采用该生物炭催化剂，可将炼化废水中难降解污染物的矿化效率提高1倍。2）以含油废白土自催化热解制备出高热值的热解油、不凝气以及Char-Clay复合材料；Char-Clay表面丰富的O-H是主要活性位，催化臭氧产生大量•OH和少量的超氧自由基和单线态氧，可将臭氧氧化体系对炼化废水难降解污染物的矿化率提升36%。3）以废FCC催化剂共催化热解含油剩余污泥，可将剩余污泥自催化热解的低温段和高温段活化能分别降低12.9%和6.6%，废FCC催化剂与污泥中的金属氧化物通过一系列热化学反应（裂解、脱氢、脱羧和脱氧等），联合催化裂解剩余污泥及其初级裂解蒸气，提升剩余污泥的热解深度以及不凝气和生物油的转化率和品质；生物炭产率低至40.6wt%，不凝气中H2高达38.4vol%，生物油中饱和烃增至45.7wt%、H/C摩尔比达到1.6；废FCC催化剂可固化污泥中的重金属，热解残渣环境风险低且具有催化臭氧活性。本研究实现了炼化废弃物的全组分利用和炼化废水的低成本处理，为炼化行业“废弃物处置”与“废水提标”两大难题的联合解决提供了一条可行的“以废治废”技术途径。