污水污泥与棉秆共热解制备生物炭催化剂的活化功能化及其对富氢气体产率的协同增强机制

本研究针对生物质固废处理与能源回收难题，创新性地利用污水污泥(MSS)与棉秆(CS)共热解生物炭(BC)为载体，通过KOH活化及Ni/Ca双组分功能化制备高效催化剂Ni/Ca@KWBC。该催化剂在900°C、CS:MSS=6:4、66 min条件下制得的BC具有最大比表面积(SSA)，可实现20.3%的H2产率(5.03 mmol/g)，经5次循环仍保持稳定活性。研究揭示了Ni促进水煤气变换反应(WGSR)与甲烷蒸汽重整(SMR)、Ca吸附CO2降低活化能的双重协同机制，为固废资源化与清洁能源生产提供了闭环解决方案。

　　

随着全球城市化进程加速，污水处理厂每年产生超过4000万吨干基污水污泥(MSS)，而农业废弃物如棉秆(CS)因其52.7 wt%纤维素含量和19.5 MJ/kg热值成为理想生物质原料。传统单一生物质热解存在热分解不完全、焦油生成量高等问题，导致富氢气体能量密度不稳定。虽然共热解技术通过MSS的氮元素与CS纤维素协同作用可将H₂产率提升30%，但催化剂引入往往产生新型复杂固废。国家自然科学基金创新研究群体项目支持的研究团队另辟蹊径，开创性地将共热解生物炭(BC)作为自生催化剂载体，构建"废物-催化剂-能源"的闭环系统。

研究采用响应面法(RSM)优化BC制备参数，通过KOH化学活化结合浸渍法负载Ni/Ca活性组分。北京某污水处理厂MSS与新疆棉秆经60目粉碎后，在900°C、CS:MSS质量比6:4、停留时间66 min条件下制得高SSA的BC基底。催化剂表征显示30%活性组分(15%Ni+15%Ca)负载的Ni/Ca@KWBC具有最佳性能。

【Maximization of the BC SSA】
RSM模型确定温度、原料比与时间为SSA关键影响因素，最优参数下BC的SSA达最大值，为后续活性组分负载提供理想载体。

【Conclusions】
Ni/Ca@KWBC使H₂产率提升至5.03 mmol/g，低位热值(LHV)达11.91 MJ/Nm³。机理研究表明：Ni促进WGSR(水煤气变换反应)和SMR(甲烷蒸汽重整)直接产氢；Ca通过CO₂吸附降低反应活化能，推动WGSR平衡向产氢方向移动。催化剂经5次循环后H₂产率无显著下降，证实其稳定性。

该研究首次实现共热解BC的原位功能化利用，突破传统催化剂与原料分离的局限。通过揭示Ni-Ca协同催化机制，不仅为富氢气体生产提供新策略，更开创了"以废治废"的可持续模式——将低值生物炭转化为高效催化剂，同步解决固废处置与清洁能源生产的双重挑战。论文发表于《Journal of Environmental Chemical Engineering》，为生物质能源化技术发展提供了重要理论支撑和实践范式。