香港城市大学BT:焦耳加热辅助的顺序催化技术在食物垃圾热解中提升合成气产量

学术   2025-01-11 00:01   上海  

通讯作者:李威宏、Chunbao (Charles) Xu、Zejun Luo

通讯单位:香港城市大学

DOI:10.1016/j.biortech.2025.132042(点击文末「阅读原文」,直达链接)


近年来,随着循环经济理念的兴起,将食物垃圾转化为有价值产品的需求日益迫切。热解技术作为一种新兴的热化学转化方法,能够将食物垃圾转化为生物油、生物炭和合成气等高附加值产品,其中合成气作为生产化学品和燃料的重要原料,具有显著的经济和环境价值。在热解过程中,催化剂的使用对于提高合成气的产量和选择性至关重要,它们通过降低反应活化能、增加反应速率和影响产物分布来发挥作用。传统的金属氧化物催化剂因其多价态和独特的酸碱性质而被广泛研究,而低成本且易于获取的不锈钢(SS)也被探索作为有效的热解催化剂。此外,生物炭作为一种在生物质热解中产生的副产品,因其低成本、有效的焦油去除能力和抗积碳特性,显示出作为催化剂或催化剂载体的巨大潜力。尽管已有研究致力于开发高性能催化剂,但很少有研究探索使用两种低成本、易得甚至被废弃的材料来构建高效的顺序催化系统,以实现食物垃圾的高效催化合成气生产。






论文概要


2025年1月7日,香港城市大学李威宏教授团队在Bioresource Technology期刊发表题为“Sequential catalysis enables efficient pyrolysis of food waste for syngas production”的研究论文。本研究针对食物垃圾处理的挑战,提出了一种创新的热化学转化技术,通过顺序催化系统高效地将食物垃圾转化为合成气。该系统采用经过处理的不锈钢(SS)和生物炭作为催化剂,结合焦耳加热方法,显著提高了合成气的产量和选择性。实验结果显示,与传统热解相比,合成气产量提升了76.40%,达到17.64 mmol·grice⁻¹,同时氢气与一氧化碳的摩尔比可在0.36至0.94之间灵活调整,以适应不同的应用需求。在五个循环的实验中,该系统展现出强大的催化稳定性,合成气产量仅下降了9.70%。此外,顺序催化剂对多种食物垃圾均表现出良好的适应性,最高选择性可达87.99 vol%。本研究还介绍了一种简单且具有工业应用潜力的表面改性方法,用于提升低成本、易得的SS 316废弃网状材料的催化性能,以实现大规模的食物垃圾热化学转化。通过深入探究SS和生物炭的顺序催化效应,本研究旨在深化对催化热解机理的理解,并确定最优的催化条件。这项技术的应用有望显著降低食物垃圾的环境影响,与电工业化进程中脱碳蓝图下的可持续性和资源效率目标相契合。




图文解读


图1展示了热解-催化实验系统的示意图,包括焦耳加热装置、红外探测器、氩气供应系统等。实验中,食物垃圾与生物炭和SS 316催化剂按1:1:1的比例混合,进行热解-催化实验。实验开始时,外部气体路径阀门打开以收集气态产物,通过冷阱冷凝挥发性成分,非冷凝气体被收集以供进一步分析。

图2呈现了SS 316催化剂在不同处理阶段的SEM形貌和XPS分析。原始SS 316表面相对光滑,酸蚀增加了表面粗糙度和孔隙率,焙烧进一步增强了表面纹理。XPS分析显示,SS 316催化剂表面存在金属铁和铁氧化物的峰,以及金属铬和铬氧化物的峰。生物炭的SEM图像显示其多孔结构,EDS映射揭示了均匀分布的钙和钾等无机元素。

图3探讨了不同SS催化剂处理对合成气产率和选择性的影响。经过酸蚀和焙烧处理的SS 316催化剂(T-2)在800℃下表现出最佳性能,合成气产率达到13.73 mmol⋅gfeedstock⁻¹,比热解提高了37.14%。随着温度的升高,合成气选择性和产率均显著增加,800℃时达到最佳平衡。

图4比较了顺序催化方法的有效性。顺序系统在合成气选择性和产率方面均优于单独的SS 316催化剂和生物炭催化剂。顺序系统实现了最高的合成气产率(17.64 mmol⋅gfeedstock⁻¹),比热解提高了76.4%,并且在不同食物垃圾类型中均表现出良好的适应性。

图5展示了顺序催化剂和单独SS 316催化剂在五个连续循环中的性能。顺序系统在五个循环中保持了稳定的合成气产率,仅下降了9.70%,而单独的SS 316催化剂在第五个循环中产率下降了44.53%。顺序催化剂通过减少积碳,有效维持了催化活性和稳定的合成气产量。

图6比较了热解和顺序催化过程与传统热解-催化过程的机理。热解过程中,复杂有机分子分解成简单的气体和低分子量化合物。生物炭吸附挥发性有机化合物(VOCs)并促进其裂解和重整反应,生成合成气组分。SS 316催化剂进一步促进剩余烃类和中间体的转化,提高合成气产率。顺序催化系统通过减少积碳,提高了长期稳定性和效率。



总结展望


总之,本研究开发了一种简单且可扩展的方法,将食物垃圾高效转化为高附加值产品(合成气、生物油和生物炭),同时确保高选择性、成本效益和环境效益。主要结论如下:

首先,经过酸蚀和焙烧预处理的SS 316催化剂因表面活性位点的增加而展现出增强的催化性能,与生物炭在顺序催化系统中的结合显著提升了食物垃圾的合成气产量,最高达17.64 mmol⋅gfeedstock⁻¹,比传统热解方法提高了76.40%。

其次,该顺序催化系统能够灵活调节合成气中H₂/CO的摩尔比,从热解的0.36到生物炭催化条件下的0.94,为满足特定应用需求提供了定制化合成气组成的可能性,这对于优化后续的化学过程或燃料生产至关重要。

第三,该系统能有效处理多种类型的食物垃圾,其中白菜的合成气产量最高,达29.80 mmol⋅gfeedstock⁻¹,选择性高达87.99 vol%,显示了其在食物垃圾管理策略中的广泛应用潜力,尤其是在遵循旅游行业循环经济原则的背景下。

最后,顺序催化系统展现出优异的抗积碳能力,能够维持稳定的合成气产量,在五个循环中仅下降了9.71%,而单独的SS 316催化剂下降了44.53%,这表明了系统的耐用性和一致性,对于实际应用和长期运行至关重要。











文献信息:Jintao Xu, Ziyang Guo, Xiefei Zhu, Xiao Chen, Zejun Luo, Chunbao Charles Xu, Weihong Li. Sequential catalysis enables efficient pyrolysis of food waste for syngas production, Bioresource Technology, 2025, 132042, ISSN 0960-8524.

https://doi.org/10.1016/j.biortech.2025.132042.





超快高温焦耳热冲击技术推广



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超快高温焦耳热冲击技术介绍
      焦耳高温加热技术,特别是闪蒸焦耳热快速焦耳热技术,是材料科学领域的一项重大革新。凭借其无与伦比的加热速度精确的温度控制,这项技术为材料制备和性能研究带来了全新的视角
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马弗炉、管式炉升温装置VS焦耳热升温装置

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焦耳高温热冲击装置
     焦耳高温热冲击材料制备装置可实现毫秒级别升温和降温,能达到1秒内升温至3000K的效果,试验样品可以是薄膜、块体、粉末等。对比现在常用的马弗炉、管式炉升温慢、加热时间长等缺点,极大地节约了科研人员宝贵的科研时间,并且会有与马弗炉和管式炉不同的冲击效果。该装置可抽真空或者是通氛围气体使用,还可以根据要求进行定制。公司致力于实验室(超)高温解决方案。目前我公司设备已广泛应用于能源催化材料、石墨烯等二维材料、高熵化合物、陶瓷材料等材料的超快速高质量制备。


1)焦耳加热装置标准版



2)焦耳加热装置通量定制版


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应用成果

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  • Ultrarapid Nanomanufacturing of High‐Quality Bimetallic Anode Library toward Stable Potassium‐Ion Storage. Angewandte Chemie., 2023. DOI: 10.1002/anie.202303600

  • Ultrafast Non-Equilibrium Phase Transition Induced Twin Boundaries of Spinel Lithium Manganate, Advanced Energy Materials 2023.  DOI: 10.1002/aenm.202302484

  • High-temperature shock synthesis of high-entropy-alloy nanoparticles for catalysis. Chinese Journal of Catalysis, 2023. DIO: https://doi.org/10.1016/S1872-2067(23)64428-6.

  • Rapid High-Temperature Liquid Shock Synthesis of High-Entropy Alloys for Hydrogen Evolution Reaction. ACS nano., 2024. DOI: 10.1021/acsnano.3c07703

  • Rapid, in Situ Synthesis of High Capacity Battery Anodes through High Temperature Radiation-Based Thermal Shock. Nano Letter 2016, 16 (9), 5553-5558. DOI:10. 1021/acs.nanolett.6b02096.

  • High-Temperature Shock Enabled Nanomanufacturing for Energy-Related Applications. Advanced Energy Materials 2020, 10 (33), DOI: 10. 1002/aenm.202001331.

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