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科研进展

我室余皓教授课题组GEE:造纸黑液用于吸附增强蒸汽重整制取高纯氢气

发布时间:2021-09-23 访问次数:19

  背景介绍

  黑液是现代造纸工业产生的主要污染物,每年产量超亿吨。因其高化学需氧量、强碱性和深颜色,黑液的直接排放会对生态环境造成严重的破坏。纵然通过煮沸、气化和热解等传统方法可对黑液加以回收和利用,也会产生大量碳排放以及硫氧化物、氮氧化物等污染物,并消耗大量能源。近年来兴起的超临界水气化法(SCWG)可在避免产生上述污染物的情况下由黑液得到富氢气体,但其缺陷在于操作压力过高(> 22.1 MPa)和氢气出纯度不高(< 70%)。为此,亟需开发一种条件温和且能够将黑液转化为高纯氢气的方法。

  图文解读

  大量研究表明,吸附增强蒸汽重整(SESR)技术可将多种生物质原料一步转化为高纯氢气,其关键在于开发高活性、高稳定性的重整吸附剂和CO2吸附剂。

  近期,华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室余皓教授课题组提出利用该技术将黑液一步转化为高纯氢气。以高性能的Ni-CaO-Ca12Al14O33双功能材料为催化剂和吸附剂,在优化的工艺条件(10 wt% Ni、T = 550 °C、p = 1 atm、S/C = 9.89、GSHV = 4490 h-1)下,可在5圈反应-脱附循环中制得纯度为96%的氢气,产率可达0.9 mol H2/mol C。同时,黑液中的硫元素可以CaSO3的形式储存于固相当中,有效避免了其直接排放对环境的污染。

图1. (a)温度、(b)水碳比和(c)气时空速对黑液吸附增强蒸汽重整(SESRBL)性能的影响,(d)典型的SESRBL产物浓度随时间变化曲线。

图2. 多圈反应-脱碳循环后催化剂的(a)XRD图,(b)Ni和CaO的晶粒尺寸,(c)积碳量和(d)X射线能量色散图。

  此外,研究人员亦发现催化剂及吸附剂在多圈循环中的烧结、团聚和积碳是导致黑液吸附增强蒸汽重整性能下降的主要因素,且黑液中Na、K等元素在催化剂及吸附剂表面的不断沉积亦可能与此相关。该研究阐明了将黑液转化为高纯氢气的可行性,对于工业污染治理具有较好的借鉴意义。

图3. 黑液吸附增强蒸汽重整制氢示意图。

  文章信息

  文章以“Production of high-purity hydrogen from paper recycling black liquor via sorption enhanced steam reforming”为题,在Green Energy & Environment期刊发表。华南理工大学博士生李函珂和硕士生吴世杰为论文共同第一作者,通讯作者为华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室余皓教授。

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https://doi.org/10.1016/j.gee.2020.07.002

  通讯作者简介

  余皓,华南理工大学化学与化工学院教授、博士生导师。入选教育部新世纪优秀人才(2012),广东省自然科学基金杰出青年基金(2012),广东省千百十省级培养对象(2014),广州市珠江科技新星(2011)。现任华南理工大学化学与化工学院化学工程系主任,广东省化工学会副秘书长,科普与学术工作委员会主任委员,中国颗粒学会青年理事。主要研究兴趣包括:新型碳基纳米催化材料的创制及其催化性能;生物质资源转化利用的新型催化反应工艺技术。在包括Angew. Chem. Int. Ed.,Energy Environ. Sci.,Chem. Sci.,ACS Catal.,J. Catal.,Chem. Eng. Sci. 等化学化工重要期刊上发表研究论文200余篇。