论文标题：Chemical reactions of oily sludge catalyzed by iron oxide under supercritical water gasification condition (超临界水气化条件下氧化铁催化降解含油污泥的化学反应过程)

期刊：Frontiers of Chemical Science and Engineering

作者：Houjun Zhang, Fang Chen, Jipeng Xu, Jinli Zhang, You Han 发表时间：01 Mar 2022

DOI：10.1007/s11705-021-2125-z

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研究背景及意义

含油污泥是在原油开采、运输、储存和精炼过程中不可避免地产生的一种固体危险废物。如何将含油污泥实现减量化、无害化处理的同时，对其富含的烃类资源进行有效利用，是实现环境效益与经济效益统一的关键。

近几年来，在超临界水氧化技术基础上发展起来的超临界水气化技术(SCWG)，在降解污泥中有机污染物的同时，得到纯度较高的回用水，并产生氢气、甲烷等能源气体，真正实现污泥的无害化、资源化、能源化利用。该技术采用催化剂有助于缓和苛刻的反应条件。Fe₂O₃具有稳定性好、成本低、环境友好等优点，是一种良好的氧载体，适合于在SCWG工艺中作为催化剂降解有机物和调控能源气体产率。由于超临界条件下实验在线检测的局限性，本研究利用ReaxFF反应分子动力学模拟试图阐明Fe₂O₃催化剂及其与超临界水的协同作用机理，为超临界水催化气化处理含油污泥新技术的工业化应用提供理论依据。

研究内容及主要结论

本研究采用包含不同杂原子的沥青质分子模型（图1）替代含油污泥，利用ReaxFF反应分子动力学模拟研究Fe₂O₃催化剂在SCWG过程中的催化降解性能，揭示Fe₂O₃催化剂的催化机理、燃料气体的生成路径和杂原子的迁移机理等，得到以下主要结论：

（1）Fe₂O₃催化剂通过表面重构、渗碳和晶格氧的迁移（图2）是催化剂晶体形貌发生变化的主要原因，同时在反应过程中，活性位点Fe原子的迁移被认为是催化剂的活化过程。综合Fe₂O₃催化剂晶体形貌的变化导致更多的不饱和配位Fe活性位点和Fe原子的迁移，揭示了Fe₂O₃催化剂的催化机理。

（2）沥青质分子在超临界水和催化剂协同作用下，芳香环变的不规则，逐渐导致共轭体系被破坏，开环重排后转变成含有小环结构的直链碳链（图3），进而降解成小分子产物。•H和 •OH自由基存在相互竞争，导致H₂和H₂O分子趋势相反，CO₂分子的生成在早期容易，而CO分子的生成在后期更容易（图4）。

（3）杂原子S首先形成 •HSO中间体，杂原子S从有机相迁移到无机相，通过超临界水的氧化特性将含硫自由基氧化形成SO_4²⁻。杂原子O在超临界水作用下转化到CO、CO₂、H₂O和晶格氧中（图3）。

（4）Fe和Fe₂O₃团簇表现出协同效应（图4），同时重金属吸附在催化剂表面，降低重金属的浸出率。

图1 (a)沥青质模型；(b)初始系统模拟模型

图2 Fe₂O₃催化剂 (a)表面重构；(b)渗碳；(c) 晶格氧迁移

图3 (a) Fe₂O₃催化剂降解沥青质机理；杂原子S(b)和杂原子O(c)的迁移路径

图4 不同体系中H₂O(a), H₂(b), CO(c)和CO₂(d)数量随时间的变化

研究亮点

揭示了Fe₂O₃催化剂及其与超临界水的协同作用机理，阐明了污染元素的迁移路径。通过机理分析，可指导SCWG过程中环保高效Fe基催化剂的分子设计和研发。

相关成果以“Chemical reactions of oily sludge catalyzed by iron oxide under supercritical water gasification condition”为题，已发表在Frontiers of Chemical Science and Engineering上（DOI: https://doi.org/10.1007/s11705-021-2125-z）。

摘要

Supercritical water gasification is a promising technology in dealing with the degradation of hazardous waste, such as oily sludge, accompanied by the production of fuel gases. To evaluate the mechanism of Fe₂O₃ catalyst and the migration pathways of heteroatoms and to investigate the systems during the process, reactive force field molecular dynamics simulations are adopted. In terms of the catalytic mechanisms of Fe₂O₃, the surface lattice oxygen is consumed by small carbon fragments to produce CO and CO₂, improving the catalytic performance of the cluster due to more unsaturated coordination Fe sites exposed. Lattice oxygen combines with •H radicals to form water molecules, improving the catalytic performance. Furthermore, the pathway of asphaltene degradation was revealed at an atomic level, as well as products. Moreover, the adsorption of hydroxyl radical on the S atom caused breakage of the two C–S bonds in turn, forming •HSO intermediate, so that the organic S element was fixed into the inorganic liquid phase. The heteroatom O was removed under the effects of supercritical water. Heavy metal particles presented in the oily sludge, such as iron in association with Fe₂O₃ catalyst, helped accelerate the degradation of asphaltenes.

作者及团队介绍

张厚君（第一作者）：天津大学化工学院2019级硕士研究生。研究方向：ReaxFF反应动力学模拟。

韩优（通讯作者）：天津大学化工学院英才教授、四川大学化工学院客座教授。研究方向：理论计算化学在环保和能源领域的应用。主持国家自然科学基金委重点项目（区域联合）等4项、国家重点研发计划子课题及省部级等项目10余项；以第一/通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed.、Phys. Rev. Lett.、Adv. Energy Mater.、ACS Catal.、Chem. Eng. J.等国际知名期刊上发表SCI论文48篇；获中国发明专利授权18件；2021年被全球华人化工学会评为未来化工学者（全球8人入选）。

期刊信息

Frontiers of Chemical Science and Engineering（SCI，影响因子4.204）是2007年创刊出版的全英文化学科学与工程领域国际综合性学术刊物，由教育部主管、高等教育出版社、中国工程院与天津大学联合主办，德国Springer公司海外发行，以网络版和印刷版两种形式出版。主编为天津大学王静康院士、中科院宁波材料所薛群基院士和郑州大学刘炯天院士。该刊重点刊登反映当前化学科学与工程领域热点的优秀学术论文及综述，以快捷方式发表最新研究成果。涉及化学科学与工程的所有领域，主要包括：催化及反应工程，清洁能源，功能材料，纳米科学与技术，生物材料和技术，颗粒技术和多相过程，分离科学与技术，可持续技术和绿色过程等。

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