城市污泥的非均相催化超临界水气化制氢资源化

随着生活污水处理率的不断提高，城市污泥处理处置问题日益突出。课题以城市污泥资源化处理为研究目标，采用超临界水气化制氢技术从污泥中获取清洁能源H2，并通过催化剂提高过程反应效率、降低反应条件。以Ni、Co、Mo、Pt、Rh、Ru等为活性组分，ZrO2与TiO2为载体研制适合超临界水气化制氢反应的负载型非均相催化剂；以城市污泥中难降解污染物氯酚和萘为模型污染物，通过对反应前后催化剂物理、化学性能的表征及反应产物的定性、定量分析，研究催化剂活性组分与载体之间的协同催化作用及超临界水气化制氢过程催化反应机制，建立催化反应动力学模型；以真实城市污泥为研究对象，考察污泥含水率、反应温度、压力、时间对TOC降解率、有机碳气化率及氢气化率的影响，建立基于TOC去除率和有机碳气化率的复杂组分宏观动力学模型；通过对污泥处理后灰分及排出液成分的分析及生态毒理学研究，初步评价该过程的环境安全性。

超临界水由于其独特的物理化学特性，具有反应速度快、污染物分解彻底等特点，城市污泥的超临界水气化制氢处理可在实现污泥减量化、无害化的同时回收清洁能源H2，具有一定的应用前景，但由于超临界水高温高压的反应条件，导致其反应过程设备投资与运行费用高昂，限制了这一技术的工业应用，因此，通过开发高效稳定的非均相催化剂，提高污泥气化反应效率、降低反应条件对促进该技术的工业应用具有重要的实际意义。项目以城市污泥的资源化处理为研究目标，在反应温度500-700 ℃、反应压力25-50 MPa、停留时间10-120 min、污泥含量2-5%条件下，考察了反应条件对城市污泥超临界水气化制氢过程气体产物组成、H2产量、总产气量、碳气化率和氢气化率等的影响规律，以Ni、Co为活性组分、ZrO2为载体，自行研制了Ni/ZrO2、Co/ZrO2非均相催化剂。结果表明，反应压力对污泥的SCWG制氢反应过程影响较小，反应温度的提升和停留时间的延长可显著提高污泥SCWG制氢过程的产气量、碳气化率和氢气化率，污泥含量的增加导致气体产物中H2的含量、产气量及碳气化率与氢气化率下降。反应温度700 ℃、反应压力30 MPa、停留时间60 min、污泥含量为5%时，气体产物中H2含量39.45%，H2产量为5.60 mmol/g，碳气化率和氢气化率分别为33.49%和59.69%。Ni/ZrO2催化性能基本与1%KOH均相催化剂催化性能相当，优于Co/ZrO2催化性能。以Ni/ZrO2为催化剂，在反应温度700 ℃、反应压力30 MPa、停留时间60 min、污泥含量为5%条件下，气体产物中H2含量45.25%，H2产量为13.48 mmol/g，碳气化率和氢气化率分别为64.62%和108.31%，与无催化剂条件相比可提高污泥气化效率提高2倍以上。萘的超临界水气化制氢反应中间产物分析结果显示，萘被逐步分解为萘酚、萘醌、水杨酸、水杨醛等中间体，进一步分解为甲酸、乙酸及等小分子物质，最终产生H2、CH4、CO、CO2。