载人航天器微重力环境下废弃物中卤代有机污染物的水热变化特征研究

This application is designed to identify the hydrothermal properties of typical halogenated pollutants in living waste under microgravity inside manned spacecraft during middle and long-term spaceflight mission. The project will be cooperated by Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Science (RCEES CAS) with China Astronaut Research and Training Center (CARTC). A electromagnetic microgravity simulating suspension experimental platform will be established by combining the electromagnetic microgravity facility of CARTC with the supercritical hydrothermal facility of RCEES CAS. Heteroatom, long chain aliphatic and aromatic halogenated pollutants will be employed as experimental materials based on the properties of typical pollutants in living waste in manned spacecraft. The dehalogenation properties of typical halogenated pollutants in super/subcritical hydrothermal conditions under microgravity condition will be examined. The dehalogenation mechanism and diagram will be analyzed through introducing oxidants and electron donors. The catalytic dehalogenation path diagram will be drawn. The changes of adsorption-desorption properties and catalyst activity under microgravity environment will be clarified. The applicability of common adsorption isotherms and adsorption kinetics models, which are applicable in ground gravity environment, under microgravity will be verified. The differences and similarities of halogenated pollutants in hydrothermal decomposition and catalytic dehalogenation under space microgravity and ground gravity environments will be investigated. The achievements of this study will establish the theoretical basis of for effective disposal of living wastes inside manned spacecraft during middle and long-term spaceflight mission.

针对我国中长期航天任务中载人航天器内生活废弃物舱内处理时,污染物在微重力环境中变化特征不明的现状，由中科院生态环境研究中心与中国航天员科研训练中心组成联合研究团队，构建电磁微重力悬浮实验平台,结合太空舱内生活废弃物中典型污染物的特点，开展卤代污染物的水热变化特征研究。将以含杂原子卤代污染物、卤代长链脂肪族污染物和卤代芳香族污染物为对象，探讨微重力环境下典型卤代污染物在超/亚临界水热条件下的脱卤降解特性，通过向反应体系中导入氧化剂和电子供体，解析催化脱卤机理与路径，勾画微重力环境中的催化脱卤路径图; 阐明微重力环境中的吸附-解吸和催化剂活性变化特征, 验证常规的地面重力环境吸附等温线和吸附动力学模型是否适合在太空微重力环境中使用;探知太空微重力环境与地球重力环境中卤代污染物的水热降解和催化脱卤的差异与共通之处，为我国中长期航天任务中载人航天器内污染废弃物的绿色处理方法的确立奠定理论基础。

项目针对我国中长期航天任务中载人航天器内固体废弃物舱内处理技术匮乏的现状，以模拟航天废弃物为研究对象，围绕氧资源回收和无害化处理开展研究，采用水热技术处理模拟航天废弃物，以氧回收效率作为指标，比较分析了水热和热解处理技术在回收航天废弃物中氧过程中的差异，评价了水热技术回收航天废弃物中氧的潜力。水热研究部分，分析了不同水热产物中的含氧组分以及氧在不同水热产物中的分布特点，发现航天废弃物中的氧含量高于地面城市生活垃圾中的氧含量。氧在气体产物中占比和氧回收效率随着反应温度升高而显著增加，停留时间对氧在气体产物中占比和氧回收效率产生较大影响。在400°C反应30 分钟获得最大的氧回收效率为22.9%，回收氧气产量达到83.5 mg/g-航天废弃物，说明从航天废弃物中回收氧是一条提高环控生保系统内部氧循环闭合程度的有效途径，水热处理可以有效地实现从航天废弃物中回收氧的目标。另外，研究了热解处理回收航天废弃物中氧的方法，分析了不同热解产物中的含氧组分和氧在不同热解产物中的分布特点，并比较分析了水热处理和热解处理航天废弃物过程中的差异，发现通过调控反应温度可以使航天废弃物中的氧向气体产物中转移，接近50%的氧以气体产物的形式存在，在700°C时得到最优的氧回收效率为29.5%，回收氧气产量达到107. mg/g-L航天废弃物。与热解处理相比，水热处理航天废弃物过程中氧在液体产物中所占比例更高，气体产物中CO产量更低。在污染物控制方面，水热技术优于热解技术，因此，水热技术更适宜于航天废弃物处理过程中污染物控制和资源化利用。本项目所开发的的水热氧化处理航天废弃物回收氧气的技术，与美国和俄罗斯研发的航天废弃物湿式氧化处理技术相比，在处理对象的复杂程度和氧化剂消耗量等方面均具有优势，可以为我国中长期航天任务中废弃物的无害化处理与循环再生利用提供新的技术手段和方法，为我国中载人航天器内污染废弃物的绿色处理方法的确立奠定了基础。