廢棄生物質(zhì)既是環(huán)境污染物，同時也是可再生原料。熱解是廢棄生物質(zhì)資源化利用的重要技術(shù)之一。通過缺氧條件下的生物質(zhì)熱解，可以得到可再生的生物油、生物炭和一部分熱解氣。然而，目前存在兩個嚴重阻礙熱解技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵問題，一是熱解生物油不穩(wěn)定易老化變質(zhì)、且成分復(fù)雜難以分離提質(zhì)，二是熱解過程產(chǎn)物價值較低，產(chǎn)品缺乏市場競爭力。

針對這一難題，中國科學技術(shù)大學教授江鴻課題組與俞漢青課題組合作，通過耦合快速熱解、常壓蒸餾及化學蒸汽沉積技術(shù)，分別成功制備了高熱值且穩(wěn)定的固相生物煤(bio-coal)和高性能的碳納米材料(少層石墨烯和碳納米管)，為實現(xiàn)廢棄生物質(zhì)熱解技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用提供了重要的技術(shù)支撐。

生物質(zhì)原料(農(nóng)林廢棄物和有機固體廢物等)通過熱解得到的生物油(bio-oil)是一種可再生資源，國內(nèi)外研究者一直致力于生物油的催化提質(zhì)和分離，期望獲得高附加值的化學品或優(yōu)質(zhì)燃料。然而，生物油的成分復(fù)雜且不穩(wěn)定，通常包含數(shù)百種有機化合物。在催化過程中，部分有機物發(fā)生縮合、脫水、結(jié)焦等反應(yīng)，導(dǎo)致催化劑失效，使催化提質(zhì)過程難以持續(xù)。同時，常用的分離手段，如常壓蒸餾或分子蒸餾條件下，生物油快速結(jié)焦，阻礙蒸餾的進一步進行。課題組研究發(fā)現(xiàn)，通過常壓蒸餾過程參數(shù)控制，實現(xiàn)生物油快速結(jié)焦可以得到一種新的固體燃料(命名為生物煤，bio-coal)。分析顯示不同生物質(zhì)原料(稻殼、鋸末、麥秸稈、甘蔗渣、大豆秸稈等)得到的生物煤熱值在25-28MJ/kg，與商用煤熱值相當。且生物煤具有性能穩(wěn)定、低含硫量、不含重金屬等環(huán)境友好性。模型研究還表明我國生物煤生產(chǎn)潛力可達402百萬噸標準煤。該成果以Bio-coal: An renewable and massively producible fuel from lignocellulosic biomass為題發(fā)表于Science Advances(Sci. Adv., 2020, 6, eaay0748)。論文的共同第一作者為化學與材料學院博士生程彬海和博士黃寶成。

除了生物油以外，熱解過程產(chǎn)生的高溫氣體尚未充分利用。分析結(jié)果顯示熱解氣中包含小分子碳有機物，且熱解氣溫度較高，是制備碳納米材料的潛在前體。研究人員通過優(yōu)化熱解條件，無需冷卻、純化熱解氣，不僅可以利用模型生物質(zhì)原料(木質(zhì)素和纖維素)熱解氣，而且可以直接使用廢棄生物質(zhì)(鋸末和麥秸稈)熱解氣通過化學蒸汽沉積方法制備3D石墨烯(3DGF)。還通過改變熱解沉積條件，可以得到碳納米線。這些高附加值碳材料在污染物去除和儲能方面展示了良好性能。和傳統(tǒng)石墨烯氣相沉積相比，生明周期評價(LCA)結(jié)果表明利用生物質(zhì)熱解氣合成石墨烯具有更小的環(huán)境影響和能量消耗。相關(guān)研究結(jié)果以Sustainable production of value-added carbon nanomaterials from biomass pyrolysis為題發(fā)表在雜志Nature Sustainability上。論文的共同第一作者為化學與材料學院碩士生張順和博士生江順風。該研究對提高廢棄生物質(zhì)熱解產(chǎn)品價值，從而推進熱解技術(shù)商業(yè)化具有重要意義。

以上研究受到國家自然科學基金委面上項目資助。

圖1. 生物煤制備路線及產(chǎn)物表征。a.廢棄生物質(zhì)熱解制備生物煤技術(shù)路線。b和c,生物煤的SEM照片。d,生物煤的熱重分析。e,不同生物煤和部分商用煤的熱值比較。