一、基本信息
所属科技项目名称：北京市自然科学基金面上项目
项目主管部门：北京市科学技术委员会、中关村科技园区管理委员会
二、科技成果信息
科技成果名称：铁基双金属载氧体用于废塑料化学链气化制备富氢气体的机理研究
科技成果类型：原始创新
科技成果所处阶段：实验室研究
科技成果应用领域：电力、热力、燃气及水生产和供应业
三、科技成果简介
1. 科技成果来源
我国塑料的生产和消费总量均居世界第一，废塑料存量高达10亿吨。因此，迫切需要采取有效的措施来处理废塑料问题。鉴于废塑料通常具有较高的热值，通过气化技术将其转化为合成气（H2和CO），能够实现废塑料的资源化利用。采用化学链气化技术处理废塑料具有诸多优势，然而目前相关的研究仍较为有限。铁氧体材料（通用形式可归纳为xMO·Fe2O3）是目前化学链气化最具潜力的载氧体之一，但其应用依然存在诸多挑战，如缺乏构效关系的机理认识、碳转化率较低、过量添加仍会造成合成气品质降低等问题。同时将铁氧体材料用于废塑料进行化学链气化制备合成气还未见报道，其对“原位”焦油裂解特性也缺乏认识，亟需完成相应的载氧体体系设计与性能评价，明确废塑料的铁氧体化学链气化机理。
2. 技术原理
在高温下载氧体材料与废塑料反应，载氧体材料提供晶格氧，使废塑料分解成合成气（主要为H2和CO）。与传统气化技术相比，化学链气化技术具有较高的反应效率和较低的焦油生成。铁氧体作为化学链气化中常见的载氧体，因其优异的晶格氧活性和良好的氧传递能力，在催化裂解、气化过程中的应用潜力巨大。本研究针对不同结构的铁氧体材料进行了深入研究，探讨了其对废塑料气化过程中的关键影响因素，如载氧体的晶格氧活性、焦油裂解特性及气化产物分布等。
3. 关键性技术指标
铁氧体材料的晶格氧活性 合成两类铁氧体材料：一类是具有类似尖晶石结构，且掺杂不同配位金属M（如碱土金属或过渡金属）；另一类则通过改变配位金属的载量来获得不同晶体结构的铁氧体。揭示了尖晶石铁氧体和Ba-Fe铁氧体的晶格氧活性调控作用，发现通过调整金属元素的种类和掺杂，可以显著改变其载氧能力和释氧速率。 废塑料化学链气化性能 通过改变操作模式（加热速率、废塑料与载氧体的混合方式），系统评估了不同铁氧体材料在废塑料气化中的性能。研究发现，在最佳操作条件下，Al掺入NiFe2O4铁氧体不仅保持了尖晶石结构的稳定性，还显著提高了合成气的产率和CO的选择性，同时减少了焦油生成。 焦油“原位”裂解特性 铁氧体材料在废塑料气化过程中对焦油的催化作用具有重要影响。本研究采用Py-GC-MS技术分析了废塑料气化过程中焦油的成分，并探讨了铁氧体材料的催化裂解效应。研究发现，使用Al掺杂的NiFe2O4铁氧体能够显著降低焦油的生成。这其中，Fe和Ni的协同效应在气化过程中起到了重要作用，特别是Ni对焦油的裂解作用主导，而Fe的作用相对较弱。
4. 应用前景
本研究提出的废塑料化学链气化技术，尤其是铁氧体材料在废塑料气化中的应用，为废塑料的资源化利用提供了新的技术途径。随着塑料消费量的不断增加，废塑料的处理和资源化利用已成为全球亟待解决的环境问题。传统的废塑料处理方法，如填埋和焚烧，不仅占用大量土地资源，还带来严重的环境污染。通过化学链气化技术转化废塑料为合成气，不仅能实现废塑料的资源化，还能有效减少温室气体排放，具有显著的环境和经济效益。
