中國科學院大連化物所開發(fā)的煤化工廢水制氫聯產淡水中試裝置開車成功

近日，大連化物所催化基礎國家重點實驗室能源與環(huán)境小分子催化研究中心（509組群）鄧德會研究員和劉艷廷副研究員團隊在煤化工廢水資源化利用方面取得新進展，研發(fā)出以煤化工廢水為原料制備高純氫氣聯產淡水的新技術，并依托該技術完成了25千瓦級中試裝置的測試驗證。

利用太陽能、風能等可再生能源產生的綠電，驅動電解水反應制氫，對解決我國能源短缺問題并實現“雙碳”目標具有重要意義，但目前面臨可再生能源與淡水資源地域分布不匹配，以及淡水資源緊缺的挑戰(zhàn)。我國富煤、貧油、少氣的能源結構決定了煤化工產業(yè)的重要地位。但煤化工行業(yè)在發(fā)展的同時也帶來了環(huán)境問題，生產過程中產生大量的工業(yè)廢水，其成分復雜，處理工序繁雜，整個治理過程產生的成本遠遠高于收益。因此，開發(fā)經濟有效的以煤化工廢水為原料的氫氣制備新方法和新技術具有重要意義。

鄧德會研究團隊在前期工作基礎上研發(fā)出海水制氫聯產淡水新技術，利用堿性電解水產生的低品位廢熱作為海水低溫制淡水的熱源，將堿性電解水系統與海水低溫淡化技術進行耦合集成，實現以海水為原料制備出高純氫氣并聯產淡水和高附加值濃海水，該技術于2023年12月通過了中國石油和化學工業(yè)聯合會組織的科技成果評價，專家一致認為該技術擁有自主知識產權，達到國際領先水平。

本工作中，研究團隊將海水制氫聯產淡水新技術進一步拓展應用到以工業(yè)廢水為原料的制氫領域，將電解水制氫與廢水處理技術進行耦合集成，研發(fā)出煤化工廢水制氫聯產淡水新技術。該技術首先利用大連化物所環(huán)境催化工程研究組（DNL0902組）研發(fā)的水熱氧化模塊去除煤化工廢水中的揮發(fā)性有機物及含氮污染物，再利用研究團隊自主研發(fā)的堿性電解水廢熱回收耦合廢水低溫蒸餾系統，進行廢水低溫蒸餾淡化，產生的淡水除了進入到電解水制氫系統以滿足自身的電解需求，還額外聯產大量的淡水，可以用于工業(yè)、農業(yè)、生活等領域。此外，電解水產生的氧氣可以滿足水熱氧化模塊對純氧氣的需求，提高了水熱氧化的效率并降低了用氧成本。最終實現煤化工廢水“變廢為寶”，制備出高純氫氣并聯產淡水。

在此基礎上，研究團隊基于自主研發(fā)的鎧甲催化劑整體式電極，研制出25千瓦級煤化工廢水制氫聯產淡水中試裝置。團隊以新疆哈密地區(qū)蘭炭廢水為原料進行中試試驗，廢水中化學需氧量（COD）為51000mg/L，總氮為2892mg/L，鹽度為32000ppm。中試裝置運行結果顯示，實現了以煤化工廢水為原料高效制氫聯產淡水，氫氣產能3萬方/年，氫氣純度≥99.999%，產生的淡水在滿足自身電解需求的基礎上，聯產淡水6噸/年，淡水鹽度≤50ppm，淡水中COD與總氮含量均未檢出（COD檢出限為4mg/L，總氮檢出限為20?g/L），證明了煤化工廢水制氫聯產淡水新技術的可行性與先進性。該技術有望助力我國氫能產業(yè)與煤化工等工業(yè)廢水資源化利用的綠色、高質量發(fā)展。

該工作得到國家自然科學基金、中國科學院B類先導專項“功能納米系統的精準構筑原理與測量”和“能源電催化的動態(tài)解析與智能設計”、遼寧濱海實驗室等項目的資助。