超临界水催化气化难降解废水制能源气体的机理研究

• 作 者: 马腾洲
• 出 处: 天津大学
• 发表日期: 2021年06期
• 关键词: 难降解有机废水 ReaxFF反应力场 超临界水气化 Ni催化剂 铁氧化物催化剂 反应机理

近年来,我国工业化、城市化的进程显著加快,随之而来的是严重的环境污染和能源短缺问题,大量高浓度难降解有机废水的产生正危害着公众与环境的健康。采用催化超临界水气化处理废水可以在实现高效降解污染物的同时调控燃料气体的产物分布。探究反应机理对于过程优化和反应器设计是十分重要的,然而苛刻的超临界水环境使得很难通过实验手段对其反应过程进行有效的在线分析。因此,本文分别选取邻苯二甲酸二丁酯和萘为模型化合物,以镍金属和铁氧化物为催化剂,采用Reax FF带反应的分子动力学模拟方法,来探究催化超临界水气化处理难降解废水的反应机理。在催化超临界水气化邻苯二甲酸二丁酯的过程中,Ni催化剂可以促进其断键,而超临界水的作用是促进废水中有机物的裂解并作提供H源。在解离侧链的演变过程中,Ni催化剂与超临界水的协同作用增强了长链片段的裂解和饱和产物的生成,其中Ni催化剂可以促进H₂O解离而超临界水加速了β-断裂并且提供H和O原子。对于芳环开环过程,Ni催化剂起到了主导作用,随后我们提出了涉及一系列断键和碳链在催化剂内部扩散的催化机理。Ni催化剂与超临界水的协同作用也提高了H₂产率。此外,积碳和表面氧化引起了催化剂的失活,H₂还原可以有效地去除催化剂表面氧原子,从而在一定程度上再生催化剂。铁氧化物催化剂与超临界水的之间的协同作用大大地促进了萘的降解以及H₂和CO的生成。超临界水不仅可以作为H源,而且还可以为铁氧化物提供晶格氧。铁氧化物催化剂的作用是提供晶格氧、促进超临界水生成更多活性自由基、弱化C-C键。H₂和CO的产率以及晶格氧的补充随着H₂O添加量的增加而提高,在高有机物浓度下实现了高氢回收率。铁氧化物催化剂在反应过程中的失活是由积碳、晶格氧消耗和铁流失引起的,超临界水可以有效地抑制铁的流失,而在O₂氛围中的煅烧可以清除催化剂的积碳和补充晶格氧,进而成功地再生铁氧化物催化剂。