PANI-Ni催化热解城市废水培养栅藻生物质高效产氢研究

本研究针对传统淡水培养藻类产氢成本高、效率低的问题，创新性地利用城市废水(MLW)培养栅藻(Scenedesmus sp.)，并开发PANI-Ni催化剂优化热解工艺。结果表明，550°C热解温度结合9 wt%催化剂负载可使H2摩尔分数提升至69.7%，气体产率达67.5 mol/kg，同时将CH4和CO2分别降至8.7%和10.2%。该技术为废弃物资源化与清洁能源生产提供了可持续解决方案。

　　

随着全球能源转型加速，氢能作为零碳能源备受关注。传统生物质产氢技术面临两大瓶颈：一是淡水培养微藻成本高昂，二是热解过程中副产物（CH₄、CO等）降低氢气选择性。更棘手的是，城市废水处理过程中产生的富含氮磷的液体废物(MLW)通常被视为环境负担，但其作为藻类培养基的潜力长期被忽视。Northern Border University的T. Sathish团队与University of Bisha的Mohamed Ben Ammar等学者在《Biomass and Bioenergy》发表研究，开创性地将MLW转化为资源，通过设计新型PANI-Ni（聚苯胺-镍）催化剂，实现了栅藻生物质高效热解产氢的技术突破。

研究采用三步关键技术：首先在2000 L开放式池塘中用MLW培养栅藻10天；其次通过化学氧化聚合法合成PANI-Ni纳米催化剂，并在550°C下热活化；最后在固定床反应器中开展450-550°C梯度温度热解实验，结合气相色谱分析产物组成。特别考察了3-9 wt%催化剂负载对反应路径的影响。

【Algae biomass preparation】
研究发现MLW中氨氮和磷酸盐浓度分别达48.7 mg/L和12.3 mg/L，为栅藻生长提供理想环境。开放培养10天后生物量产率达1.8 g/L，且成功去除污水中76%的氮和83%的磷，实现废水处理与原料制备的双重效益。

【Results and discussion】
温度实验显示，450°C升至550°C时H₂摩尔分数从46.7%跃升至69.7%，而CH₄和CO分别下降62%和58%。催化剂负载实验更揭示9 wt% PANI-Ni可使H₂选择性达89.4%，其机理在于：1）Ni纳米颗粒促进甲烷蒸汽重整(CH₄+H₂O→CO+3H₂)；2）氮掺杂碳骨架加速水煤气变换反应(CO+H₂O→CO₂+H₂)；3）大比表面积(412 m²/g)抑制焦炭沉积。最终气体产率67.5 mol/kg较无催化剂体系提升53%，气化效率达71.6%。

【Conclusion】
该研究构建了"废水培养-催化热解-高效产氢"的全链条技术体系，其创新性体现在三方面：一是首次证实MLW培养藻类用于热解产氢的可行性；二是阐明PANI-Ni催化剂通过双重反应机制提升H₂选择性的分子机理；三是确立550°C与9 wt%催化剂的最优参数组合。相比传统ZnCl₂活化等工艺，该技术使H₂产率提高28%，且催化剂成本降低40%，为生物质能源规模化应用提供了关键技术支撑。

讨论部分特别指出，该技术的环境效益远超能源产出本身——每处理1吨MLW可同步生产1.4 kg氢气并减少3.2 kg CO₂当量排放。未来研究将聚焦催化剂寿命评估与反应器放大设计，推动该技术向工业化迈进。这项由沙特阿拉伯科研团队主导的工作，为发展中国家解决能源-环境协同问题提供了典范案例。