近日，我所催化基础国家重点实验室能源与环境小分子催化研究中心（509组群）邓德会研究员和刘艳廷副研究员团队在煤化工废水资源化利用方面取得新进展，研发出以煤化工废水为原料制备高纯氢气联产淡水的新技术，并依托该技术完成了25千瓦级中试装置的测试验证。
利用太阳能、风能等可再生能源产生的绿电，驱动电解水反应制氢，对解决我国能源短缺问题并实现“双碳”目标具有重要意义，但目前面临可再生能源与淡水资源地域分布不匹配，以及淡水资源紧缺的挑战。我国富煤、贫油、少气的能源结构决定了煤化工产业的重要地位。但煤化工行业在发展的同时也带来了环境问题，生产过程中产生大量的工业废水，其成分复杂，处理工序繁杂，整个治理过程产生的成本远远高于收益。因此，开发经济有效的以煤化工废水为原料的氢气制备新方法和新技术具有重要意义。
邓德会研究团队在前期工作基础上研发出海水制氢联产淡水新技术，利用碱性电解水产生的低品位废热作为海水低温制淡水的热源，将碱性电解水系统与海水低温淡化技术进行耦合集成，实现以海水为原料制备出高纯氢气并联产淡水和高附加值浓海水，该技术于2023年12月通过了中国石油和化学工业联合会组织的科技成果评价，专家一致认为该技术拥有自主知识产权，达到国际领先水平。
本工作中，研究团队将海水制氢联产淡水新技术进一步拓展应用到以工业废水为原料的制氢领域，将电解水制氢与废水处理技术进行耦合集成，研发出煤化工废水制氢联产淡水新技术。该技术首先利用我所环境催化工程研究组（dnl0902组）研发的水热氧化模块去除煤化工废水中的挥发性有机物及含氮污染物，再利用研究团队自主研发的碱性电解水废热回收耦合废水低温蒸馏系统，进行废水低温蒸馏淡化，产生的淡水除了进入到电解水制氢系统以满足自身的电解需求，还额外联产大量的淡水，可以用于工业、农业、生活等领域。此外，电解水产生的氧气可以满足水热氧化模块对纯氧气的需求，提高了水热氧化的效率并降低了用氧成本。最终实现煤化工废水“变废为宝”，制备出高纯氢气并联产淡水。
在此基础上，研究团队基于自主研发的铠甲催化剂整体式电极，研制出25千瓦级煤化工废水制氢联产淡水中试装置。团队以新疆哈密地区兰炭废水为原料进行中试试验，废水中化学需氧量（cod）为51000mg/l，总氮为2892mg/l，盐度为32000ppm。中试装置运行结果显示，实现了以煤化工废水为原料高效制氢联产淡水，氢气产能3万方/年，氢气纯度≥99.999%，产生的淡水在满足自身电解需求的基础上，联产淡水6吨/年，淡水盐度≤50ppm，淡水中cod与总氮含量均未检出（cod检出限为4mg/l，总氮检出限为20µg/l），证明了煤化工废水制氢联产淡水新技术的可行性与先进性。该技术有望助力我国氢能产业与煤化工等工业废水资源化利用的绿色、高质量发展。
该工作得到国家自然科学基金、中国科学院b类先导专项“功能纳米系统的精准构筑原理与测量”和“能源电催化的动态解析与智能设计”、辽宁滨海实验室等项目的资助。（文/图 朱培鑫、刘艳廷）
