廢棄生物質既是環境汙染物，同時也是可再生原料。熱解是廢棄生物質資源化利用的重要技術之一。通過缺氧條件下的生物質熱解，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商業化應用的關鍵問題，一是熱解生物油不穩定易老化變質、且成分複雜難以分離提質，二是熱解過程產物價值較低，產品缺乏市場競爭力。
針對這一難題，中國科學技術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，分別成功製備了高熱值且穩定的固相生物煤(bio-coal)和高性能的碳納米材料(少層石墨烯和碳納米管)，為實現廢棄生物質熱解技術商業化應用提供了重要的技術支撐。
生物質原料(農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，國內外研究者一直致力於生物油的催化提質和分離，期望獲得高附加值的化學品或優質燃料。然而，生物油的成分複雜且不穩定，通常包含數百種有機化合物。在催化過程中，部分有機物發生縮合、脫水、結焦等反應，導致催化劑失效，使催化提質過程難以持續。同時，常用的分離手段，如常壓蒸餾或分子蒸餾條件下，生物油快速結焦，阻礙蒸餾的進一步進行。課題組研究發現，通過常壓蒸餾過程參數控制，實現生物油快速結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定、低含硫量、不含重金屬等環境友好性。模型研究還表明我國生物煤生產潛力可達402百萬噸標準煤。該成果以Bio-coal: An renewable and massively producible fuel from lignocellulosic biomass為題發表於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，熱解過程產生的高溫氣體尚未充分利用。分析結果顯示熱解氣中包含小分子碳有機物，且熱解氣溫度較高，是製備碳納米材料的潛在前體。研究人員通過優化熱解條件，無需冷卻、純化熱解氣，不僅可以利用模型生物質原料(木質素和纖維素)熱解氣，而且可以直接使用廢棄生物質(鋸末和麥秸稈)熱解氣通過化學蒸汽沉積方法製備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汙染物去除和儲能方面展示了良好性能。和傳統石墨烯氣相沉積相比，生明周期評價(LCA)結果表明利用生物質熱解氣合成石墨烯具有更小的環境影響和能量消耗。相關研究結果以Sustainable production of value-added carbon nanomaterials from biomass pyrolysis為題發表在雜誌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熱解產品價值，從而推進熱解技術商業化具有重要意義。
以上研究受到國家自然科學基金委面上項目資助。
圖1. 生物煤製備路線及產物表徵。a.廢棄生物質熱解製備生物煤技術路線。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。
圖2. 廢棄生物質熱解製備高附加值碳納米材料路線示意。
圖3. (a) 廢棄生物質熱解製備的3D石墨烯Raman光譜。(b) 3D石墨烯的XPS 光譜。c (纖維素)和d (木質素)，模型生物質熱解氣相產物的3D TGA-FTIR光譜。
來源：中國科學技術大學