混沌电场强化电解技术用于高硫煤与高盐度废水的清洁利用

《Chinese Journal of Chemical Engineering》：Chaotic electric field enhanced electrolysis for clean utilization of high-sulfur coal and high-salinity wastewater

　　

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  混沌电流被用于煤炭与废水的联合处理。
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  混沌电场可在降低碳损失的同时实现煤炭脱硫。
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  混沌电场能使煤炭颗粒持续氧化并裂解。
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  电解后煤炭的晶粒尺寸会发生变化。

引言

煤炭是中国能源体系的支柱，在国家能源安全与社会经济发展中起着关键作用[1]、[2]、[3]、[4]。高硫煤占中国煤炭总储量的约9.9%[5]。高硫煤的直接燃烧会释放大量二氧化硫，这类物质是形成酸雨、土壤酸化以及水生生态系统退化的主因。此外，它们还是雾霾的重要前体物，会对公众健康构成威胁[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。尽管传统的脱硫方法能够降低末端排放压力，但仍然存在诸多问题，比如脱硫效率较低以及会产生二次污染[11]、[12]。

与传统脱硫工艺相比，电解能够在温和条件下去除煤炭中的大部分无机硫，同时还具有去除有机硫的能力[13]、[14]。1979年，Coughlin和Farooque证明了电化学水分解技术能够实现煤炭的温和阳极氧化，同时在阴极产生氢气。该工艺的运行电位低于传统水电解所需的电位，因此能耗更低[15]。此外，电化学水分解还能通过脱硫和脱矿等过程在温和条件下改善煤炭品质[16]。因此，电化学水分解技术已成为清洁煤利用领域的研究热点。在电化学水分解过程中，煤炭充当阳极去极化剂，阳极处会发生电化学氧化反应，从而降低氧析出的过电位，进而减少能耗[17]、[18]。电化学水分解的反应过程可由反应式（1）、（2）、（3）、（4）表示[19]、[20]。大量研究表明，电化学水分解是一种由Fe²⁺/Fe³⁺氧化还原对介导的氧化反应，这一对离子在提升反应效率方面起着关键作用。铁离子的氧化还原循环所介导的电子转移，再加上活性物质的生成，构成了提升电解效率的核心机制[21]、[22]、[23]。阴极反应：4 H⁺ + 4 e^- → 2 H₂(g)阳极反应：C(s) + 2 H₂ O(l) → CO₂(g) + 4 H⁺ + 4 e^-总反应：C(s) + 2 H₂ O(l) → CO₂(g) + 2 H₂(g)间接反应：C(s) + 2 HO? → CO₂(g) + 2 H⁺ + 2 e^-

先前的研究表明，焦化废水和高盐度盐碱废水等工业废水能够促进煤泥的电解转化。这一方法有助于高效处理和回收废水，符合绿色化学和可持续能源发展的理念[24]。工业化进程中产生的大量工业废水，尤其是那些成分复杂、毒性高且难以生物降解的高盐度废水，给水环境管理带来了巨大挑战[25]、[26]、[27]、[28]。在废水辅助的煤炭电解系统中，废水中的活性物质的化学能量可以被有效利用，而其复杂的成分还能提升煤炭的反应性。在相关研究中，Chen等人证明，有机废水能够提高煤浆电解的电流密度，且不会影响阴极氢气的纯度或法拉第效率。这种方法能够同时提升煤炭电解的速率并实现有机废水资源的利用[29]。Pan等人研究了铅锌尾矿与煤浆共同电解制氢的可行性。他们发现铅锌尾矿能够提升煤浆电解的效果，其中Fe²⁺是提升电流密度的关键物质，而Fe³⁺则没有明显作用。该方法显著提高了氢气产量，电流效率可达99%，从而实现了尾矿的资源化利用以及高效、低能耗的氢气生产[30]。不过，关于电解过程中煤炭颗粒的物理化学性质和表面结构变化的研究仍较为有限。

本研究构建了一个电化学水分解系统，其主要目标是在混沌电场带来的强氧化环境中，将两种关键工艺相结合，从而实现煤炭的净化以及废水的资源化回收。系统中生成的活性物质能够有效降解污染物并改变废水的性质。为克服传统直流电场的诸多缺陷，如分布不均、极化严重以及能耗过高等问题，本研究引入了具有强烈扰动和时间波动特性的混沌电场，以此提升物质传递和电子传递的效率。这种方法能够协同提升煤炭净化和废水处理的效率，为优化该耦合系统提供了依据。

章节摘要

实验材料与试剂

实验中使用的高硫煤采自中国山西省的某矿山。经过粉碎和研磨后，选取粒径小于200目的煤粉用于实验。对煤样进行了近似分析和全分析，本研究中所有的分析结果均为干基数据（见表1）。煤样的预处理步骤如下：将1.5克煤粉依次加入50毫升废水中，然后在90℃下进行改性处理

核心参数对电化学水分解影响的分析

图2a展示了不同废水比例下电化学水分解系统的LSV曲线。SRC代表100%为废水的系统，而RC1-RC4则分别代表含有80%、60%、40%和20%废水与去离子水混合的系统。实验结果表明，在0–1.2伏的电位范围内，增加废水含量能够提升煤浆的阳极氧化电流密度，从而使电解过程在相对较低的电压下就能达到较高的电流密度

结论

本研究探讨了高盐度废水辅助下的电化学水分解技术的效率及其资源利用潜力。与传统的直流电场相比，非稳态的混沌电场能够有效缓解浓度极化现象，在长期运行过程中具有更高的电荷传输效率以及更稳定的电流输出，因此具有更出色的能耗优势。研究结果表明，提高废水浓度

CRediT作者贡献说明

李晓婷：论文撰写——初稿撰写、验证、方法设计、概念构思。马友才：论文撰写——初稿撰写、方法设计、数据整理。李景瑞：论文撰写——审阅与编辑、验证工作。丁留洋：论文撰写——审阅与编辑、方法设计、实验研究。郑国灿：论文撰写——审阅与编辑。刘作华：论文撰写——审阅与编辑、资金筹集工作

利益冲突声明

作者声明自己不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益或个人关系。

数据可用性

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利益关联声明

该作者是本期刊的编委会成员/主编/副主编/特邀编辑，未参与本文的审稿工作或发表决策。

作者声明自己存在以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益或个人关系：

致谢

我们衷心感谢中国国家重点研发计划（2022 YFC3901204、2023 YFC3904401）以及重庆市技术创新与应用发展专项基金的关键项目（CSTB2024、TIAD-KPX0059）所提供的支持。

Xiaoting Li|Youcai Ma|Jingrui Li|Liuyang Ding|Guocan Zheng|Zuohua Liu