高鐵赤泥儲放氧功能調控及其化學鏈燃燒服役行為研究

《高鐵赤泥儲放氧功能調控及其化學鏈燃燒服役行為研究》是依託昆明理工大學，由顧振華擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：高鐵赤泥儲放氧功能調控及其化學鏈燃燒服役行為研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：顧振華
• 依託單位：昆明理工大學

項目摘要

化學鏈燃燒是一項能同時實現能源高效利用和CO2 內分離的非混燃燒技術。赤泥是氧化鋁工業產生的主要固體廢棄物，生態環境對其資源化利用有迫切需求。高鐵拜耳法赤泥的組分與化學鏈燃燒鐵基氧載體的有效組分高度吻合，且赤泥來源充足、價格低廉。基於此，項目提出以拜耳法赤泥作為化學鏈燃燒氧載體的思路，擬以化學鏈燃燒工藝對氧載體結構和理化性質的特殊要求為導向，設計最佳化赤泥改性工藝，圍繞赤泥儲氧組分高活性可逆氧的誘導機制、惰性組分間的相互作用規律及其對氧載體服役行為的影響機理、以及鹼性組分在赤泥預處理和化學鏈反應中的作用機制等關鍵科學問題，通過揭示改性工藝-赤泥結構-反應性能間的關聯特性，探索獲得赤泥基高性能、低價格化學鏈燃燒氧載體的途徑與方案，豐富功能化導向的赤泥改性套用理論基礎。基於儲氧功能化和微結構最佳化的赤泥改性研究不僅對化學鏈燃燒技術有重要意義，而且還對赤泥在催化和吸附領域的套用有一定借鑑意義。

結題摘要

利用物理（攪拌、超聲、微乳化等）和化學（酸浸和添加助劑等）預處理手段對不同類型赤泥進行了改性，製得一系列赤泥基氧載體。利用XRD、TPR、XPS、TGA和EDS 等手段對赤泥氧載體進行了系統表征，詳細研究了其物理化學性質，通過活性測試和循環穩定性測試對比了不同氧載體的晶格氧活性、反應性能和穩定性，同時利用熱重法研究了氧載體的還原動力學，並將氧載體的物理化學性質與其活性和穩定性相關聯，探討了不同改性方法的改性機制和氧載體的反應機理。考察了CeO2、NiO、CuO、Mn2O3等還原助劑和MgO、Al2O3、ZrO2等惰性組分對赤泥反應性能和redox穩定性的影響規律，將銅精礦與赤泥有機混合製備了複合礦物氧載體，通過活性評價實驗和還原動力學分析，對不同類型複合赤泥氧載體在化學鏈燃燒過程中不同組分的協同作用機制進行了深入探討。發現赤泥的儲放氧能力與其比表面積、顆粒大小、孔道結構和表面酸鹼性等性質關聯性較弱，對赤泥微結構的調控無法實現化學鏈燃燒性能的大幅提升。還發現赤泥的儲放氧能力和redox穩定性由活性組分的種類（如Fe2O3、CuFe2O4和NiFe2O4等）和含量以及活性組分與惰性組分之間的相互作用程度直接控制。加入適量的NiO和CuO等可還原氧化物以及MgO等惰性氧化物能夠形成高活性物種（如CuFe2O4和NiFe2O4等），提升赤泥的活性和穩定性。因此赤泥改性必須誘導產生大量的活性物種並形成穩定活性物種的能力。整體上赤泥中儲氧、載體和助劑等不同功能組分相互耦合，但儲氧組分（Fe2O3）的含量和存在狀態對氧載體活性起決定性作用，而載體的強化作用扮演次要角色。NiO-赤泥-MgO體系是性能優異的化學鏈燃燒氧載體，而銅礦和赤泥耦合獲得的複合氧載體，可實現製備成本與活性的平衡。兩者均具有在化學鏈燃燒技術中大規模套用的潛力。