超临界水在有机废弃物资源化中的应用

超临界水条件下有机废物气化需要高的温度压力，无催化剂条件下H2产量一般较低，副产物增多。因此引入适当的催化剂以缓和反应条件，提高反应速率和H2产量，优化反应途径成为研究热点。超临界水作为一个特殊的环境，需要稳定性和催化活性兼备的催化剂，研究发现，Mn、Ni等重金属的氧化物、碱性化合物如KOH、K2CO3以及碳等能够表现出很好的催化活性。Calzavara等[13]评价了超临界条件下有机废物气化制H2，认为焦碳的生成是反应过程的主要问题，选择合适的催化剂能够增加H2的产量和减少焦碳的生成。Ali等[14]研究了不同的催化剂条件下葡萄糖的气化。试验证明对于质量分数为5 %的葡萄糖水溶液，催化剂的存在影响葡萄糖气化中间产物的生成。
采用重金属及其氧化物作为催化剂已经成为超临界水条件下有机废物气化普遍采用的方法，并取得很好的效果。同时SWC装置普遍采用的镍基材料等耐腐蚀性材料本身对有机废物气化具有一定的催化作用。Takafumi等[15]在超临界条件下以不同的金属催化剂对烷基酚进行催化气化，试验发现气化产物主要是CH4、CO2和H2。研究可知在钌/ç-氧化铝催化剂存在的条件下能够产生丙烷酚异构体，并发现不同的异构体产量各异。Takuya [16]在673 K、25 MPa的条件下对木质素和纤维素及其混合物进行镍催化气化，试验证明纤维素和软木木质素反应生成的中间产物降低了催化剂活性，但随着催化剂用量的增加，气化效果变好。Takuya [17]采用高温分解、氧化和催化组合的流化反应体系来气化葡萄糖和葡萄糖－木质素的混合物。在673 K、25.7 MPa和1 min的条件下，生成物主要是H2和CO2，气化效率为96%。Boukis等[18]在镍合金Inconel625的连续管状反应器中来气化甲醇，主要生成产物是H2，还有少量的CO、CO2和CH4，气化率达到了99%，试验表明在反应器内壁的重金属对反应过程起催化作用，反应器内壁的氧化能够提高反应产率和降低CO的生成。
研究表明，K2CO3和KOH等碱性化合物的加入能够增加H2产量，提高C的转化率和缓和反应条件。Jayant [19]在Inconel 600管状反应器中，通过重整甲醇来制H2。试验表明随着压力的增加，反应时间的增长和气碳比的降低，CO和CO2发生甲烷化，从而导致H2的损失。通过增加K2CO3和KOH能够降低甲烷化率和提高H2的产量。Schmieder[20]在管状连续反应器研究有机废物的气化过程，试验发现在600°C、250 bar和KOH或K2CO3存在的条件下，有机废物气化完全，同时生成大量的H2、CO2及少量的CO、CH4和C2–C4化合物，碳的转化率能够达到96%。Andrea[21]利用间歇反应器和管状反应器来研究芳香族化合物和木质素制H2过程，试验表明随着KOH的加入，增加了H2和CO2的产量，同时CO的产量降低。Wang[22]采用Ca(OH)2为催化剂对低品质煤在超临界条件下进行气化。Ca(OH)2在中间产物降解和残碳的的气化过程中起到很大的作用，同时它可以作为CO2的扑收剂。在混和物的Ca/C为0.6、690℃和30MPa时，反应生成H2、CH4及少量的CO2。
研究采用碳作为超临界水条件下有机废物气化的催化剂，通过优化反应条件增加了催化剂的使用寿命，取得了很好的效果。文献[23]利用管状连续式反应器在650 ℃、22 MPa的条件下，采用碳作为催化剂来气化玉米、马铃薯和木屑，气相产物主要包括H2、CO2、CO、CH4和少量C2H6。在最高温度条件下得到的气量大于2 L/g，氢气含量是57 %。Xu等[24]研究了碳催化剂对有机废物超临界气化的影响，试验证明，在600℃、34.5 MPa和22 h-1时，葡萄糖（质量分数为22%）能够气化生成富含H2的气体，碳的气化效率能够达到100%，碳的比表面积并没有对其催化效率产生很大影响。试验中通过反应器入口处安装漩涡生成器以增加催化剂的使用寿命。
2 超临界水氧化有机废物制酸
超临界水氧化有机废物过程中可产生醋酸、乳酸等中间产物。近年来，研究者通过控制反应条件来使反应停留在有机酸中间产物生成的环节上，而不是将其彻底的氧化为CO2气体和水排放出来，这样既可获得有价值的有机酸原料，同时能够降低反应的能耗。试验一般采用H2O2或O2为氧化剂，同时试验研究可知，在碱性存在的条件下能够增加有机酸等中间产物的生成。金放鸣[25]利用H2O2为氧化剂对胡萝卜和牛油的SCWO氧化，初始阶段反应迅速并能够生成稳定的醋酸，以后反应趋于平稳，而反应速率取决与此。对于胡萝卜来说，多聚糖首先水解成葡萄糖，葡萄糖迅速发生氧化。对于牛油来说，首先是甘油脂水解成甘油和羧酸，然后发生氧化反应。从TOC降解可以看出，在前3 min反应速度很快，而在以后的7 min反应速度趋于平缓。两者的TOC降解率能够达到97.5%。Anikeev[26]利用连续反应器在对硝基甲烷、硝基乙烷和1－硝基丙烷进行SCWO试验，试验表明随着碳原子数的增加，脂肪族硝基化合物降解速度降低，但氧化速度升高。温度恒定时，反应速率常数随着压力成指数增加。Lourdes[27]利用H2O2为氧化剂，对纤维素、椰子油和酿酒厂和牛奶厂的排除废液进行制酸研究，试验证明在400 ℃, 27.6 MPa和5 min的条件下有稳定的醋酸产生，同时生成蚁酸、乙二醇和乳酸。当H2O2 过量时，95%的碳转化到气相之中，只有15%的相应的酸类产生，加入催化剂TiO2及H2SO4不能够增加有机酸的产量。但在250℃、27.6 MPa和NaOH存在条件下，却有77%的葡萄糖转化为醋酸（17%）,乙醇酸（22%）和蚁酸（38%）。Motonobu[28] 利用间歇式和半连续反应器对垃圾中兔肉进行超临界水氧化处理，反应产物中的可溶性部分主要是有机酸和葡萄糖。间歇反应器中可溶性产物最大能够达到50%，有机酸主要是醋酸（2.6%）和乳酸(3.2%)，在523 K时葡萄糖的最高产量为33%，而在473 K时半连续反应器葡萄糖的最高产量仅为11.5%。Jomaa[29]对污泥、木屑和生活垃圾进行超临界水氧化处理，试验表明木质垃圾的处理较其他两种困难，通过改变试验条件来平衡降解和氧化，从而在祛除COD的同时实现可溶性有机物的积累。Armando[30]在超临界状态下将有机废物氧化生成低分子羧酸，试验获得的有机酸包括醋酸、蚁酸、乳酸和琥珀酸等。随H2O2的增加，从每克干鱼内脏获得的醋酸量从26 mg上升到42 mg，从每克葡萄糖中获取29 mg的醋酸。结果还表明，温度对主要中间产物醋酸的稳定性有一定的影响。Selhan[31]在碱性条件下催化处理木质有机物，催化效果依次为K2CO3 >KOH>Na2CO3 > NaOH，催化作用下固态剩余物大为降低。非催化条件下有机废物的主要产物是呋喃衍生物，而在催化条件下主要产物是酚类化合物。Jin等[32]通过控制反应条件来提高醋酸产量，实验采用两段法，第一步反应是加速生成HMF、2－FA和LA，在第二步反应中，通过加入H2O2氧化第一步产生的呋喃和乳酸以生成醋酸，通过两段法来生成醋酸产率大约是85%~90%，而呋喃和乳酸生成醋酸的比例大约是2:1。利用该法产生的醋酸与工业废物Ca、Mg来生成无腐蚀的CMA融雪剂，CMA的转化率能够达到99%。