582期

能源與環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域

精選科技成果推薦

本期精選9項(xiàng)能源與環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域科技成果進(jìn)行推薦，感興趣的企業(yè)朋友可以識(shí)別二維碼咨詢(xún)對(duì)接。

項(xiàng)目1：CO2捕集物理吸附劑的開(kāi)發(fā)

項(xiàng)目2：CO2捕集技術(shù)小試示范

項(xiàng)目3：鋼鐵行業(yè)CO2捕集方案設(shè)計(jì)與技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

項(xiàng)目4：焦?fàn)t煤氣分離制氫技術(shù)

項(xiàng)目5：CO2加氫熱催化制甲醇技術(shù)

項(xiàng)目6：CO2加氫熱催化制二甲醚技術(shù)

項(xiàng)目7：CO2加氫熱催化制低碳烯烴技術(shù)

項(xiàng)目8：CO2甲烷化技術(shù)

項(xiàng)目9：CO2光催化利用前沿性技術(shù)

項(xiàng)目一：CO2捕集物理吸附劑的開(kāi)發(fā)

在CO2捕集吸附劑方面，團(tuán)隊(duì)以工農(nóng)業(yè)廢棄物為原料，通過(guò)堿熔酸浸出等方法對(duì)其進(jìn)行除雜提煉，成功制備了X型、Y型、A型、CHA 、ZSM-5、ETS-10等多種類(lèi)型沸石分子篩；通過(guò)對(duì)制備過(guò)程調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了微孔、介孔、大孔等多級(jí)孔道結(jié)構(gòu)的控制，并對(duì)沸石的吸附能力進(jìn)行了測(cè)試，多數(shù)沸石都表現(xiàn)出良好的CO2吸附能力，NaX沸石的吸附能力達(dá)到了6.14mmol/g（273K）。

圖1：團(tuán)隊(duì)制備的部分沸石SEM掃描圖與性能測(cè)試

表1 ?沸石吸附劑的吸附能力

此外，為推廣沸石制備技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用，團(tuán)隊(duì)以?xún)?yōu)化后的沸石吸附劑制備流程為工藝設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，利用Aspen軟件設(shè)計(jì)研發(fā)了萬(wàn)噸級(jí)廢棄物處理工藝流程，并對(duì)其進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，以便于推進(jìn)技術(shù)的工業(yè)化示范。經(jīng)過(guò)優(yōu)化分析，沸石的生產(chǎn)成本約為8.4元/kg，投資回報(bào)周期約為2.9年。

圖2：萬(wàn)噸級(jí)廢棄物處理工藝流程

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項(xiàng)目二：CO2捕集技術(shù)小試示范

為推進(jìn)CO2捕集技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用，團(tuán)隊(duì)聯(lián)合燃煤電廠進(jìn)行了物理吸附法捕集CO2的小試應(yīng)用示范。團(tuán)隊(duì)基于燃煤電廠煙氣組分，自主設(shè)計(jì)搭建了柱中柱熱交換式真空變溫吸附單元與熱管理系統(tǒng)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)裝置和系統(tǒng)。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，CO2產(chǎn)物純度可達(dá)88.4%，回收率高達(dá)98.8%，產(chǎn)率為0.975 mol/kgads/hr。

圖：CO2物理吸附法捕集技術(shù)小試示范項(xiàng)目

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項(xiàng)目三：鋼鐵行業(yè)CO2捕集方案設(shè)計(jì)與技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

鋼鐵生產(chǎn)與CO2捕集利用技術(shù)（CCU）結(jié)合，有潛力實(shí)現(xiàn)大規(guī)模減碳，甚至CO2凈零排放。鋼鐵行業(yè)的CO2排放點(diǎn)源多且排放特征復(fù)雜，難以確定合適的碳捕集方案。為此，團(tuán)隊(duì)致力于探索鋼鐵企業(yè)碳捕集的影響因素及作用規(guī)律，尋求低碳高效的CO2捕集利用方式。團(tuán)隊(duì)基于Aspen?plus軟件，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了集成鋼鐵企業(yè)余熱資源的碳捕集工藝流程，發(fā)現(xiàn)富余蒸汽供熱時(shí)，高爐煤氣捕集過(guò)程的碳排放和成本更低，分別為0.111t-CO2/t-CO2、221.95CNY/t-CO2。

圖：鋼鐵行業(yè)CO2捕集工藝設(shè)計(jì)與技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

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項(xiàng)目四：焦?fàn)t煤氣分離制氫技術(shù)

現(xiàn)有的焦?fàn)t煤氣變壓吸附制氫工藝存在運(yùn)行壓力高、氣體壓縮能耗大的問(wèn)題，極大的制約了這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展和推廣，為此團(tuán)隊(duì)提出了通過(guò)真空變壓吸附分離工藝，以活性炭RB3和沸石NaY為吸附劑，通過(guò)實(shí)驗(yàn)與模擬方法系統(tǒng)的研究了以焦?fàn)t煤氣為原料的氫氣凈化、二氧化碳捕集和甲烷提濃過(guò)程，以實(shí)現(xiàn)對(duì)焦?fàn)t煤氣的資源化利用。經(jīng)過(guò)不斷的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，本團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)：H2純度可達(dá)99.11%，捕集率90.84%，實(shí)現(xiàn)氫氣高效分離；CO2純度為95.38%、回收率為95.36%，滿(mǎn)足地質(zhì)封存的要求；CH4純度為90.78%、回收率98.21%，滿(mǎn)足10T等級(jí)城鎮(zhèn)燃?xì)鈽?biāo)準(zhǔn)。

圖：焦?fàn)t煤氣分離制氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)與裝置

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項(xiàng)目五：CO2加氫熱催化制甲醇技術(shù)

為設(shè)計(jì)高效CO2加氫制甲醇催化劑，團(tuán)隊(duì)優(yōu)先對(duì)CO2加氫制甲醇反應(yīng)的機(jī)理進(jìn)行了研究，經(jīng)過(guò)研究分析，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)溫度和壓力是改變反應(yīng)熱力學(xué)平衡的重要因素，低溫、高壓是推進(jìn)反應(yīng)向正向進(jìn)行的有利條件，現(xiàn)有催化劑在甲醇選擇性等方面性能明顯不足。因此亟需開(kāi)發(fā)在低溫下具有高CO2轉(zhuǎn)化能力或甲醇選擇性的催化劑。

圖1：CO2加氫制甲醇反應(yīng)機(jī)理研究

為此，團(tuán)隊(duì)基于吸附強(qiáng)化理論，設(shè)計(jì)研發(fā)了系列促進(jìn)CO2 ?向甲醇的高效精準(zhǔn)轉(zhuǎn)化催化劑，為方便催化劑的工業(yè)化應(yīng)用，還設(shè)計(jì)研發(fā)了一系列反應(yīng)條件溫和、高效、長(zhǎng)壽命、易合成的工業(yè)催化CO2轉(zhuǎn)化為甲醇的催化劑。

圖2：CO2加氫制甲醇催化劑

團(tuán)隊(duì)針對(duì)基于吸附強(qiáng)化理論研發(fā)的催化劑進(jìn)行了表征分析和性能測(cè)試。結(jié)果表明，相較于傳統(tǒng)催化劑，具有吸附增強(qiáng)作用的催化劑BET比表面積和銅表面積均明顯提升；在反應(yīng)溫度為250℃、反應(yīng)壓力為2.5MPa（較傳統(tǒng)工業(yè)反應(yīng)條件（5MPa）降低2.5MPa）的條件下，甲醇選擇性達(dá)83.4%。單位活性成分的甲醇產(chǎn)率較商用催化劑大幅提高73.9%，單位活性位點(diǎn)甲醇的時(shí)空產(chǎn)率約為商用催化劑的2倍，可節(jié)省原料氣體壓縮能耗61.3%。

圖3：甲醇催化劑熱催化性能測(cè)試

為推廣CO2加氫制甲醇技術(shù)工藝的工業(yè)化應(yīng)用，團(tuán)隊(duì)耦合前期鋼鐵企業(yè)CO2捕集工藝，對(duì)CO2加氫合成甲醇工藝進(jìn)行建模并優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了基于鋼鐵廠余熱利用的CO2捕集耦合綠氫制甲醇的工藝系統(tǒng)集成。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析，發(fā)現(xiàn)氫氣價(jià)格對(duì)甲醇成本影響最大。在不征收碳稅情況下，氫氣價(jià)格為2.57 CNY/kg 時(shí)，甲醇成本達(dá)到商業(yè)甲醇水平。

圖4：CO2加氫制甲醇工藝設(shè)計(jì)與技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

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項(xiàng)目六：CO2加氫熱催化制二甲醚技術(shù)

為提高產(chǎn)物的附加值，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研發(fā)了可以一步法催化CO2加氫制備二甲醚的催化劑，該反應(yīng)的關(guān)鍵在于耦合催化CO2加氫制甲醇的活性組分與具有脫水能力的酸性沸石，二者的緊密結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)催化產(chǎn)物的原位轉(zhuǎn)移，促進(jìn)甲醇向二甲醚的脫水轉(zhuǎn)化。催化劑的協(xié)調(diào)作用效果明顯，CO2單程轉(zhuǎn)化率提高至30%以上，DME+MeOH選擇性≥80%，產(chǎn)率達(dá)到25.8%。

圖：CO2加氫制二甲醚催化劑制備與性能測(cè)試

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項(xiàng)目七：CO2加氫熱催化制低碳烯烴技術(shù)

為進(jìn)一步提高CO2加氫產(chǎn)物的附加值，團(tuán)隊(duì)近幾年致力于一步催化CO2轉(zhuǎn)化為低碳烯烴（C2=~C4=）的研究。制備低碳烯烴的關(guān)鍵在于具有強(qiáng)酸性沸石的選取，沸石的強(qiáng)酸性是促進(jìn)甲醇與二甲醚逐步迅速脫水，進(jìn)而形成烷烴、烯烴的關(guān)鍵。目前常用的沸石主要包括ZSM-5沸石和SAPO-34沸石，但制烯烴的催化反應(yīng)目前的主要壁壘在于催化劑壽命低，為此團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了大量的研究，改進(jìn)催化劑結(jié)構(gòu)，提高催化劑壽命。

團(tuán)隊(duì)針對(duì)ZSM-5沸石在CO2制烯烴領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了研究，經(jīng)過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)空心化處理后，有效提高了烯烴的選擇性，可達(dá)56%。此外，低碳烯烴的合成過(guò)程中極易在催化劑表面碳化，影響催化劑的使用壽命，本團(tuán)隊(duì)研究的催化劑的壽命測(cè)試結(jié)果表明，催化劑在3MPa、300℃下進(jìn)行30h壽命測(cè)試，各項(xiàng)性能均未出現(xiàn)明顯衰減，CO2轉(zhuǎn)化率和各產(chǎn)物選擇性基本相同，具有良好的穩(wěn)定性。

圖1：空心ZSM-5沸石CO2加氫制低碳烯烴性能測(cè)試

針對(duì)提高SAPO-34沸石使用壽命方面，團(tuán)隊(duì)通過(guò)拓寬沸石內(nèi)部孔道，構(gòu)建多級(jí)孔沸石，進(jìn)而促進(jìn)反應(yīng)產(chǎn)物的及時(shí)轉(zhuǎn)移，降低積碳概率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明改進(jìn)后的催化劑CO選擇性?xún)H占32%，低碳烯烴占剩余產(chǎn)物的80%以上。

圖2：SAPO-34沸石CO2加氫制低碳烯烴性能測(cè)試

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項(xiàng)目八：CO2甲烷化技術(shù)

CO2甲烷化催化劑主要以Ni基催化劑為主，其具備轉(zhuǎn)化率高、CH4選擇性佳及價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)，因此也被視為該反應(yīng)最具工業(yè)化前景的活性金屬之一。然而，Ni基催化劑在低溫活性不佳、易燒結(jié)積碳等問(wèn)題，是其規(guī)模化生產(chǎn)的阻礙。圍繞這些挑戰(zhàn)和發(fā)展瓶頸，解析催化劑構(gòu)效關(guān)系及構(gòu)建新型催化體系有助于CO2甲烷化技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展。團(tuán)隊(duì)以Ni基催化劑為研究基礎(chǔ)，通過(guò)調(diào)整合成方法、優(yōu)化催化劑理化性質(zhì)等，重點(diǎn)從氧空位、金屬載體相互作用（Metal-Support?Interaction，MSI）等方面研究催化劑結(jié)構(gòu)對(duì)CO2的吸附與活化、催化劑失活機(jī)制、CO2加氫路線(xiàn)等關(guān)鍵因素的影響。所制備的催化劑在300℃、0.1MPa下，CO2轉(zhuǎn)化率可達(dá)80%，反應(yīng)70h，轉(zhuǎn)化率無(wú)明顯變化，沒(méi)有失活；且經(jīng)XRD分析，反應(yīng)后結(jié)構(gòu)沒(méi)有破壞，沒(méi)有積碳，具有良好的穩(wěn)定性。

圖1：團(tuán)隊(duì)在CO2甲烷化領(lǐng)域的催化劑研發(fā)與性能測(cè)試

為推廣CO2甲烷化技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用，團(tuán)隊(duì)耦合前期鋼鐵企業(yè)CO2捕集工藝，對(duì)CO2加氫合成甲烷工藝進(jìn)行建模并優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了基于鋼鐵廠多種煙氣的CO2捕集耦合綠氫制甲烷的工藝系統(tǒng)集成。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析，由于電力來(lái)源不同導(dǎo)致的成本改變，是影響氫氣成本的最重要因素。

圖2：CO2甲烷化工藝設(shè)計(jì)和百公斤級(jí)小試裝置

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項(xiàng)目九：CO2光催化利用前沿性技術(shù)

光催化是利用半導(dǎo)體特性，在接收光能后，電子從價(jià)帶被激發(fā)到導(dǎo)帶，內(nèi)部形成電場(chǎng)，可驅(qū)動(dòng)氧化還原反應(yīng)的發(fā)生。光催化還原CO2是以光能為驅(qū)動(dòng)力，將CO2還原為碳?xì)淙剂希骖櫶紲p排和能源循環(huán)再生兩大問(wèn)題，被稱(chēng)為“人工光合作用”。本團(tuán)隊(duì)致力于高效光催化劑的制備、光催化機(jī)理分析、光催化工藝優(yōu)化、平板反應(yīng)器的搭建、可擴(kuò)展戶(hù)外光催化系統(tǒng)。

圖1：團(tuán)隊(duì)在CO2光催化領(lǐng)域的催化劑研發(fā)

掌握一維、二維、三維光催化劑的制備方法，構(gòu)建核殼結(jié)構(gòu)、異質(zhì)結(jié)構(gòu)、空位結(jié)構(gòu)光催化劑，對(duì)微觀形貌和結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行調(diào)控分析。應(yīng)用帶隙工程理論，制備具有高效還原CO2能力的光催化劑。對(duì)光催化行為進(jìn)行效率分析、產(chǎn)物評(píng)價(jià)。對(duì)光催化機(jī)理進(jìn)行深入剖析，針對(duì)電子的走向及各階段特性進(jìn)行跟蹤測(cè)試。對(duì)光催化劑的光能吸收轉(zhuǎn)化能力進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)電子的激發(fā)、遷移、復(fù)合情況進(jìn)行表征分析。對(duì)光催化劑的能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，根據(jù)電子所處導(dǎo)帶位置對(duì)光催化還原反應(yīng)的還原能力和還原效率進(jìn)行深入探索。

將光催化劑應(yīng)用于光催化反應(yīng)器并優(yōu)化反應(yīng)條件和反應(yīng)流程，最大程度釋放光催化劑的性能。對(duì)光催化產(chǎn)物進(jìn)行定性定量檢測(cè)并進(jìn)行性能評(píng)估。搭建平板反應(yīng)器模擬太陽(yáng)光照射環(huán)境，反應(yīng)器可擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)戶(hù)外大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用。

圖2：CO2光催化放大裝置

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聲明：綜合整理自各高校成果匯編

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