《能源环境保护》“生物质高值化利用技术”专题

来源：能源环境保护

生物质是唯一含碳可再生能源，如何高效利用生物质进行资源替代是解决当前化石能源短缺、环境污染的关键，也是实现国家“碳达峰、碳中和”目标的重要途径。我国生物质产量大、分布广，目前利用率较低，多以焚烧、堆肥等处置方式为主，未充分发挥其碳氢资源替代属性。通过热化学、水相催化、生物化学等方法将生物质转化为热、电、液体燃料、化学品、炭材料、合成气等高价值能源和化工产品已成为生物质转化和利用领域的研究前沿和热点。生物质高值化利用技术不仅可以实现生物质废弃物的处置与利用，而且可以助力我国 “双碳”“美丽中国”“乡村振兴”等目标的实现，具有重要的战略意义。

行业视野: 环境保护
类别; 90个
关键词; 84位
专家; 20篇
论文; 1779IP
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生物质基长链含氧燃料、化学品和材料的研究进展

作者(Author)：吴石亮, 丁培霖, 肖睿

摘要：随着化石能源的枯竭以及对环境问题的重视,人们越来越关注生物质能源利用的发展。生物质基长链化合物因富含多种官能团和多种结构,在制备高值化学品方面优于短链化合物,引起了国内外学者们的关注。大量研究表明,生物质基长链含氧化合物可用来制备燃料、聚合物电解质和可降解塑料。生物质基燃料聚甲氧基二甲醚(PODE)和三丙二醇单甲醚(TPGME)具有高十六烷值和含氧量,且能与柴油很好地混溶而备受关注。聚合物电解质作为锂离子电池发展的新方向,目前更多采用石油基作为聚合物基质,而天然大分子聚合物纤维素、木质素和淀粉同样能用来制备凝胶态和固态聚合物电解质。此外,以生物质为原料制备的聚乳酸(PLA)和聚丁二酸丁二醇酯(PBS)更容易被环境中的微生物降解并不产生其他影响。概述了PODE和TPGME的制备方法和燃烧特性,天然聚合物大分子制备凝胶态和固态聚合物电解质,以及PLA和PBS的合成路径及其化学改性等方面的研究进展,为今后制备生物质基长链含氧化合物及其他高值产品提供参考借鉴。

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能源环境保护

2024年第02期

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生物炭成炭调控及固化土壤重金属研究进展

作者(Author)：廖玮, 张雄, 杨海平, 邵敬爱, 张世红, 陈汉平

摘要：生物炭在固持土壤重金属(HMs)方面具有广阔的应用前景,其修复效果受到理化特性以及土壤环境的影响。因此,探究生物炭的成炭调控与重金属固化能力,对于优化生物炭制备生产过程具有重要的指导意义。总结了不同制备工艺下生物炭的理化特性变化,并梳理了生物炭固化重金属的主要机理以及各种老化因素对生物炭理化特性变化的影响。生物炭主要通过孔隙吸附、阳离子交换、官能团络合以及矿物沉淀等方式来固化土壤中的重金属,其各项机制的吸附贡献占比受到热解温度、原料种类、停留时间、热解气氛等因素的影响。生物炭老化会导致其理化特性变化,如孔道破碎、含氧官能团分解、不稳定碳析出等,而不同的老化因素会对生物炭产生不同的影响。通过探究各老化因素的作用机理以及其对重金属固化的影响,可以从热解成炭的角度提高生物炭稳定性及有效性,从而减少环境因素对生物炭固化重金属效果的影响,实现对生物炭物化特性及土壤修复能力的有序调控。同时,还展望了未来生物炭施用研究方向,旨在为合理评估生物炭有效性以及指导生物炭修复重金属污染土壤提供参考。

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能源环境保护

2024年第02期

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不同生物质原料催化制备5-羟甲基糠醛的研究进展

作者(Author)：陶姣, 潘云川, 熊健, 吕学斌

摘要：生物质被视为一种潜在的丰富可再生能源,可用于生产能源、化学品和材料等,是传统能源的潜在替代品。5-羟甲基糠醛(5-hydromethylfurfural,HMF)是一种多功能、关键的可再生平台化合物,有许多潜在的应用,被誉为“沉睡的巨人”,可以由生物质衍生的碳水化合物生产。目前,制备HMF的原料主要是糖类化合物。深入讨论了HMF的合成机理以及己糖、多糖和其他生物质等不同来源的原料催化制备HMF方法的研究进展。以往的研究可以发现,葡萄糖转化为HMF大多选用路易斯酸催化剂,对于果糖则更注重于非均相催化剂的设计。多糖类最终水解为单糖进行转化,应同时注重多糖的水解以及单糖的转化,关键点仍是单糖的转化。最后对HMF原料未来的研究方向和催化剂的设计开发进行展望,以期为今后的深入研究提供理论支持。

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能源环境保护

2024年第02期

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木质素原位催化加氢脱氧研究进展

作者(Author)：赵玉莹, 詹佳慧, 胡锐, 罗刚, 张士成

摘要：由于化石能源的枯竭和环境污染的加剧,发展可再生能源和实现碳中和势在必行。木质素作为大量存在的天然芳香族聚合物,经过解聚升级可制备高附加值的化学品和燃料,有望替代化石资源。然而,木质素解聚产生的生物油和化合物因其高含氧量而限制了其直接应用。加氢脱氧策略为开发高价值的生物基燃料和化学品提供了一条潜在路径。传统高压分子氢气主导的木质素增值转化存在安全性隐患,阻碍了其工业化推广。木质素原位催化加氢脱氧作为其替代策略,采用溶剂和木质素自身基团作为氢源,在催化剂作用下原位产氢并作用于反应底物实现其高效增值转化。该方法不仅有效避免了外部高压供氢,而且能在温和条件下实现木质素原位升级,提高了原子利用率和产物选择性。通过对木质素原位催化加氢脱氧策略的研究,总结梳理了近年来原位供氢的研究进展,分析了联合水相重整加氢脱氧、联合金属水解加氢脱氧、催化转移氢化、自供氢氢解四种常用原位催化加氢脱氧策略的反应机理,讨论了几种策略的研究现状,并展望了木质素原位催化加氢脱氧策略的研究重点、难点和发展前景。

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2024年第02期

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生物质定向热解制备高附加值化学品研究进展

作者(Author)：武刚, 肖睿, 张会岩

摘要：石油化工产品是制备众多生活和生产用品,如化妆品、润滑油、塑料制品、合成纤维等的原材料,这使得人类对以石油为原料生产的各种化学品的依赖非常严重。基于此,以可再生生物质为原料生产高附加值平台化学品受到了广泛关注。生物质定向热解可选择性地制备多种高附加值平台化学品,已成为目前全球研究的前沿和热点。对生物质定向热解制备多种常见的高附加值化学品进行了系统地概述,首先总结了热解原料、热解方式、预处理方式、反应温度、反应时间、催化剂等条件对目标高附加值产物的影响规律,然后分析了生物质定向热解制备目标产物的反应路径,最后对生物质定向热解制备平台化学品的未来发展方向进行了展望,为生物质的高效转化利用提供一定的依据和借鉴。

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2024年第02期

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微波热解木质生物质的研究进展

作者(Author)：蒋志伟, 刘鹏昊, 赵峻, 严凯

摘要：随着化石资源的日益枯竭及环境污染问题的日益严峻,开发与利用环境友好的可再生资源受到广泛关注。木质生物质微波热解具有反应速率快、易于控制、安全无污染等优点,但是存在产物分布不均和经济价值不高等问题,严重制约了生物质能的全面与高效利用。系统地介绍了木质纤维素组分的结构,详细阐述了木质纤维素各组分的热解机制,并比较了微波热解与传统热解的差异,探讨了微波热解的影响因素以及微波催化热解木质纤维素的产物分布。此外,介绍不同种类催化剂(碳基材料、分子筛、金属氧化物等)在促进生物质微波热解中的作用,可以高效转化木质纤维素,优化微波热解产物的种类分布,并促进选择性生产特定高值化学品,以实现木质纤维素的资源化和高值化利用。最后,对木质纤维素热解未来研究方向和技术发展进行了展望。

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能源环境保护

2024年第02期

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生物质热解动力学模型研究进展

作者(Author)：李亮, 朱一萍, 廖玉河

摘要：生物质是地球上最丰富的可再生碳资源之一,在实现“双碳”战略目标方面扮演着重要作用。生物质热解是一项极具前景的生物质利用技术,其中热解形成的生物油有望取代传统化石能源,用于生产高值燃料或化学品。然而,生物质热解是一个十分复杂的过程,该过程及热解产物分布受诸多因素影响。因此,发展生物质热解动力学模型对指导热解工艺生产十分重要。动力学模型的研究不仅可以揭示热解过程中所涉及的物理化学变化,还可以预测热解反应速率及主要产物分布。早期构建的全局动力学模型为热解机理的理解与更详细模型的发展奠定了基础。随着生物质热解的主要研究目标由最大化生物油产量转变为最大化高附加值化学品产量,包含更多热解机理信息和可预测更多单个产物产率的半详细和详细动力学模型开始出现。主要介绍了生物质热解动力学模型的研究现状,将动力学模型分为全局模型、半详细模型和详细模型,并对未来生物质热解动力学研究及详细模型的发展进行了展望。

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2024年第02期

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电催化5-羟甲基糠醛氧化为2,5-呋喃二甲酸的研究进展

作者(Author)：潘远江, 郭珍燕, 黄金术, 李虎

摘要：在可持续发展导向下,替代能源需求不断增加,生物质资源的有效利用成为研究焦点。5-羟甲基糠醛(HMF)作为一种生物质基平台化合物,具有广阔的应用前景。通过选择性氧化反应,HMF可以转化为高附加值化合物,如2,5-呋喃二甲酸(FDCA)。近年来,电催化氧化作为一种绿色环保的新型手段,在HMF转化为FDCA的研究中取得了显著进展。然而,这一过程涉及竞争反应,如水氧化,对FDCA的产率和法拉第效率产生影响。催化剂对降低反应能垒、提高产物选择性至关重要,但面临稳定性不足、过电位偏高和酸性环境下活性不足等挑战。聚焦于高效催化剂的研究进展,从贵金属催化剂到非贵金属催化剂和非金属催化剂进行深入探讨,旨在为生物质的高效转化提供有益参考。

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2024年第02期

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