中國(guó)科學(xué)院大連化物所開(kāi)發(fā)的煤化工廢水制氫聯(lián)產(chǎn)淡水中試裝置開(kāi)車成功

近日，大連化物所催化基礎(chǔ)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室能源與環(huán)境小分子催化研究中心（509組群）鄧德會(huì)研究員和劉艷廷副研究員團(tuán)隊(duì)在煤化工廢水資源化利用方面取得新進(jìn)展，研發(fā)出以煤化工廢水為原料制備高純氫氣聯(lián)產(chǎn)淡水的新技術(shù)，并依托該技術(shù)完成了25千瓦級(jí)中試裝置的測(cè)試驗(yàn)證。

利用太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源產(chǎn)生的綠電，驅(qū)動(dòng)電解水反應(yīng)制氫，對(duì)解決我國(guó)能源短缺問(wèn)題并實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)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(guó)富煤、貧油、少氣的能源結(jié)構(gòu)決定了煤化工產(chǎn)業(yè)的重要地位。但煤化工行業(yè)在發(fā)展的同時(shí)也帶來(lái)了環(huán)境問(wèn)題，生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生大量的工業(yè)廢水，其成分復(fù)雜，處理工序繁雜，整個(gè)治理過(guò)程產(chǎn)生的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于收益。因此，開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)有效的以煤化工廢水為原料的氫氣制備新方法和新技術(shù)具有重要意義。

鄧德會(huì)研究團(tuán)隊(duì)在前期工作基礎(chǔ)上研發(fā)出海水制氫聯(lián)產(chǎn)淡水新技術(shù)，利用堿性電解水產(chǎn)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(tǒng)與海水低溫淡化技術(shù)進(jìn)行耦合集成，實(shí)現(xiàn)以海水為原料制備出高純氫氣并聯(lián)產(chǎn)淡水和高附加值濃海水，該技術(shù)于2023年12月通過(guò)了中國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)組織的科技成果評(píng)價(jià)，專家一致認(rèn)為該技術(shù)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

本工作中，研究團(tuán)隊(duì)將海水制氫聯(lián)產(chǎn)淡水新技術(shù)進(jìn)一步拓展應(yīng)用到以工業(yè)廢水為原料的制氫領(lǐng)域，將電解水制氫與廢水處理技術(shù)進(jìn)行耦合集成，研發(fā)出煤化工廢水制氫聯(lián)產(chǎn)淡水新技術(shù)。該技術(shù)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(jī)物及含氮污染物，再利用研究團(tuán)隊(duì)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(tǒng)，進(jìn)行廢水低溫蒸餾淡化，產(chǎn)生的淡水除了進(jìn)入到電解水制氫系統(tǒng)以滿足自身的電解需求，還額外聯(lián)產(chǎn)大量的淡水，可以用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活等領(lǐng)域。此外，電解水產(chǎn)生的氧氣可以滿足水熱氧化模塊對(duì)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(shí)現(xiàn)煤化工廢水“變廢為寶”，制備出高純氫氣并聯(lián)產(chǎn)淡水。

在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)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(jí)煤化工廢水制氫聯(lián)產(chǎn)淡水中試裝置。團(tuán)隊(duì)以新疆哈密地區(qū)蘭炭廢水為原料進(jìn)行中試試驗(yàn)，廢水中化學(xué)需氧量（COD）為51000mg/L，總氮為2892mg/L，鹽度為32000ppm。中試裝置運(yùn)行結(jié)果顯示，實(shí)現(xiàn)了以煤化工廢水為原料高效制氫聯(lián)產(chǎn)淡水，氫氣產(chǎn)能3萬(wàn)方/年，氫氣純度≥99.999%，產(chǎn)生的淡水在滿足自身電解需求的基礎(chǔ)上，聯(lián)產(chǎn)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(lián)產(chǎn)淡水新技術(shù)的可行性與先進(jìn)性。該技術(shù)有望助力我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)與煤化工等工業(yè)廢水資源化利用的綠色、高質(zhì)量發(fā)展。

該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院B類先導(dǎo)專項(xiàng)“功能納米系統(tǒng)的精準(zhǔn)構(gòu)筑原理與測(cè)量”和“能源電催化的動(dòng)態(tài)解析與智能設(shè)計(jì)”、遼寧濱海實(shí)驗(yàn)室等項(xiàng)目的資助。