Grave-to-cradle dry reforming of plastics via Joule heating

基于焦耳加热的塑料从坟墓到摇篮的干重整

Qing Ma1, Yongjun Gao1∅, Bo Sun2, Jianlong Du1, Hong Zhang1, Ding Ma2

1河北大学化学与材料科学学院,合成化学基础学科研究中心

2北京大学化学与分子工程学院,北京分子科学国家实验室

通讯作者: yjgao@hbu.edu.cn; dma@pku.edu.cn

DOI: 10.1038/s41467-024-52515-y | Nature Communications | 2024年

PDF原文

论文亮点

研究背景

研究方法

主要结论

图1: 反应器配置和反应条件筛选

图1 反应器配置和反应条件筛选
图1. (a) 塑料CO₂重整通电反应器示意图; (b) 不同CO₂与PE中CH₂摩尔比下的产物分布; (c) 不同电流和电阻值下的温度分布和产物分布; (d) 通电FeCrAl加热线(96W)和传统管式炉(1000W)的加热速率比较

分析结果

研究设计了专用反应器系统,通过调节CO₂与塑料的比例优化反应条件。当CO₂与PE中CH₂的摩尔比为1:1时,可获得最佳合成气产率,CO₂转化率达到88%,PE完全转化。通过比较不同电阻和电流值,发现6Ω电阻和4A电流为最优条件,对应温度约800°C。FeCrAl加热线具有快速加热优势,30秒内即可达到800°C,远快于传统管式炉加热方式。

图2: 不同条件下的催化性能及与其他系统对比

图2 不同条件下的催化性能及与其他系统对比
图2. (a) 使用不同加热组分的PE的CO₂重整产物分布; (b) 使用通电FeCrAl加热线对不同塑料进行CO₂重整; (c) 使用通电FeCrAl加热线进行PE的CO₂重整循环实验; (d) 与其他报道的催化系统结果对比

分析结果

比较了不同加热元件(NiCr加热线、碳纤维等)的催化性能,发现FeCrAl加热线表现出最佳的抗积碳性能和催化活性。该系统可处理多种塑料(PE、PP、PS、PET),其中PE和PP的转化效果最佳,而含苯环的PS和PET会产生较多积碳。FeCrAl加热线在5次循环使用后仍保持良好催化活性,仅因表面积碳和氧化导致性能轻微下降。与其它报道系统相比,本系统在合成气产率和碳平衡方面表现出竞争优势。

图3: 实际塑料产品和放大实验的催化性能

图3 实际塑料产品和放大实验的催化性能
图3. (a) 通电系统中实际报废塑料的CO₂重整; (b) 塑料CO₂重整的大型反应器

分析结果

研究测试了多种实际塑料制品(移液管、洗涤瓶、口罩、午餐盒、食品容器和瓶子)的重整效果,证明了该技术处理混合废塑料的可行性。放大实验使用1g PE和3.3g CO₂,在大型石英管反应器中进行,30分钟内生产了2.84g CO和0.091g H₂,展示了实际应用的潜力。大规模实验中观察到石英管内壁有480mg积碳,以及少量甲烷和其他烃类副产物,这主要是由于大尺寸石英管的热损失导致烃类冷凝所致。

图4: 催化动力学参数和原位FTIR、MS分析

图4 催化动力学参数和原位FTIR、MS分析
图4. (a) 通电FeCrAl加热线上PE脱氢动力学; (b) 通电FeCrAl加热线上CO₂还原动力学; (c) 通电FeCrAl加热线上PE的CO₂重整动力学; (d) 通电FeCrAl加热线上PE的CO₂重整原位FTIR光谱; (e) 非通电FeCrAl加热线(使用炉加热系统)和通电加热线上CO₂重整甲烷的质谱信号

分析结果

动力学研究表明,PE脱氢反应在1分钟内即可达到28%的H₂产率,甲烷仅作为中间产物存在。CO₂还原实验表明,即使没有还原剂存在,加热线中的金属也能参与反应并被CO₂氧化。在PE的CO₂重整过程中,1分钟内即可达到30%的CO产率,表明反应速率较快。原位FTIR光谱显示,通电仅10秒后就检测到CO和烃类的特征振动峰。质谱分析证实,甲烷脱氢和CO₂还原均可单独在通电FeCrAl加热线上发生,两种反应的耦合可有效去除积碳和活性氧物种。

图5: 重整系统的生命周期评估和太阳能演示配置

图5 重整系统的生命周期评估和太阳能演示配置
图5. (a) 供电方式对生命周期PFE消耗、GHG排放和能量回收效率的影响; (b) 光伏发电驱动的PE的CO₂重整

分析结果

生命周期评估表明,使用中国电网电力时,生产1kg合成气会导致341.29kg GHG排放和6942MJ PFE消耗,能量回收效率仅为0.60%。采用光伏发电系统后,PFE消耗和GHG排放分别减少了94.9%和95.7%,能量回收效率提高至107.5%,展示了将太阳能转化为化学能储存的潜力。实验证明,在自然太阳光照下,光伏发电系统可顺利驱动PE的CO₂重整反应,这是一种可持续且高效的废塑料和二氧化碳增值策略,有望在低碳未来中得到应用。