新型氮掺杂中孔生物质炭脱除沼气中硫化氢及其再生机理研究

Biogas desulfurization is the key research topic for the clean application of biogas and sustainable development. In this project, one novel nitrogen-doped mesoporous biochar (NDMB) will be developed through using the plant-based biomass (PBB) as carbon precursor and nitrogen-containing phosphates (NCP) as nitrogen sources. The idea is based on the special organization structure and the hydroxy-rich characteristics of plant-based biomass, which mainly includes cellulose, hemicellulose and lignin. After carbonization of the mixture of PBB and NCP, air oxidation method will be applied to remove the lignin-carbon to produce NDMB for biogas desulfurization. The mechanisms of biomass carbonization, nitrogen-containing groups (NCGs)’ introduction, the interaction between pore creation and NCGs ’ introduction process will be systematically investigated. Furthermore, the adsorption capacity, selectivity of catalytic oxidation and regeneration performance of the NDMB will be studied and the interaction between desulfurization performance and pore structure/ NCGs will also be analyzed. The influence of thermal regeneration process on the pore structure and NCGs of NDMB will be explored. The regulation mechanism of the novel NDMB will be proposed. As a result, this project can provide the theory guideline for the preparation of low-cost, high-sulfur capacity, easy renewable and green ecological novel NDMB.

沼气脱硫是沼气清洁利用及可持续发展的重要研究课题。本项目利用植物基生物质特殊的组织结构和主要组成如纤维素、半纤维素及木质素等多羟基的特点，提出以植物基生物质为炭前驱体和含氮磷酸盐为氮源，通过空气氧化去除木质素炭的方法获得一种新型氮掺杂中孔生物质炭的新思路，并用于沼气脱硫。拟系统研究植物基生物质的成炭及含氮官能团的掺氮机理、掺氮过程和造孔过程的相互影响机制；考察新型生物质炭对沼气中硫化氢的吸附性、催化氧化的选择性和再生性；探究新型生物质炭的脱硫性能与孔结构/含氮官能团的“构-效”关系，弄清热再生过程对新型生物质炭孔结构和含氮活性官能团的影响规律，提出对新型生物质炭的调控机制；从而为制备低成本、高硫容、易再生、绿色生态的新型氮掺杂中孔炭脱硫剂提供理论依据。

沼气是一种重要清洁能源，在发展低碳经济和促进新农村建设等方面发挥了巨大的作用。H2S的脱除成为沼气使用过程中必不可少的环节，亟需开发低成本、高硫容、绿色生态的新型氮掺杂中孔炭材料。本项目利用植物基生物质特殊的组织结构和主要组成如纤维素、半纤维素及木质素等多羟基的特点，以植物基生物质为炭前驱体，分别研究了含氮磷酸盐和高热稳定性氮盐为氮源同步掺氮活化、去除木质素/炭调控中孔结构制备新型氮掺杂中孔生物质炭的新方法，用于沼气脱硫。系统研究了植物基生物质的成炭及含氮官能团的掺氮机理、掺氮过程和造孔过程的相互影响机制；考察新型生物质炭对沼气中硫化氢的吸附性、催化氧化的选择性和再生性；探究新型生物质炭的脱硫性能与孔结构/含氮官能团的“构-效”关系，弄清热再生过程对新型生物质炭孔结构和含氮活性官能团的影响规律，提出对新型生物质炭的调控机制。.结果显示，以三聚氰胺三聚氰酸盐为氮源，通过一步热解法成功制备了高氮掺杂中孔生物质炭，比表面积高达678.5 m2/g，中孔体积为0.1cm3/g，表面氮含量高达19.6 at%，硫容从0.7 mg/g大大提高到1827 mg/g。氮掺杂中孔生物质炭热再生性能优越，几次热再生后样品仍能达到较好硫容。进一步，运用密度泛函理论（DFT）进行量子化学计算，研究了氮掺杂或非掺杂碳表面与H2S分子之间的相互作用，并探讨不同含氮官能团种类对H2S吸附性能的影响。为制备低成本、高硫容、易再生、绿色生态的新型氮掺杂中孔炭脱硫剂提供理论依据，实现沼气的绿色、高值、高效利用。.本项目已发表SCI收录论文15篇，参加相关国内学术会议10余次；培养硕士博士研究生8名；项目负责人牵头获批“大气污染源头控制与资源化四川省青年科技创新研究团队”以及相关研究成果“大气污染物硫化氢强化去除关键技术及应用”获得2019年四川省科技进步一等奖。