《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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木质纤维素生物转化的技术研究和应用前景

作者(Author)：潘润泽, 牟璐, 邱敏, 姜万奎, 章文明, 蒋羽佳, 信丰学, 姜岷

摘要：随着工业化进程的发展,不可再生能源的消耗以及环境的污染问题是面临的严峻挑战。因此,可再生生物质资源的开发得到了广泛关注。木质纤维素是一种丰富的可再生生物质资源,可用于生物化学品和生物燃料的生产。然而,其复杂的结构阻碍了木质纤维素生物转化的最终效率。有效的预处理技术以及合适的转化宿主为木质纤维素的生物转化提供了帮助。此外,选择合适的木质纤维素转化工艺更有利于目标产物的合成,其中包括单独水解和发酵、同步糖化和发酵以及统合生物加工过程。在这些工艺中,通过统合生物加工过程构建的微生物共培养系统被认为是高效生产生物化学品和生物燃料的潜在策略。进一步,将共培养体系与合成生物学和代谢工程相结合,为未来构建高效稳定的木质纤维素生物转化体系提供了理论指导。

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Cu/MOF双功能催化剂催化乙酰丙酸制取γ-戊内酯的研究

作者(Author)：邬玉珊, 王继大, 许狄, 徐艳飞, 定明月

摘要：传统化石能源的日益消耗引发了严重的能源危机和环境污染等问题,亟需开发和利用可再生能源。生物质因其资源丰富、成本低廉和清洁的特点,引起了人们的广泛关注。采用简单、高效的溶剂热方法构筑了一种金属有机框架封装金属Cu的新型复合材料,Cu/MOF-808,该催化剂中Cu原子锚定在Zr基金属有机框架MOF-808次级结构单元的缺陷位。Cu/MOF-808催化剂在较温和的反应条件下(140℃),以异丙醇为氢源,通过催化转移加氢路径,将生物质平台分子乙酰丙酸选择性加氢转化为γ-戊内酯,产率达到91.5%。溶剂影响因素结果表明,Cu/MOF-808催化剂在异丙醇中表现出最好的活性和选择性,远高于甲醇、乙醇和仲丁醇体系,主要得益于异丙醇优异的供氢能力。此外,Cu/MOF-808催化剂具有良好的稳定性和可重复利用性,在5次循环后仍能保持较高的催化活性和目标产物选择性。机理研究揭示了MOF锚定的高分散Cu金属位点和MOF中Zr簇的Lewis酸性位点的高效协同作用,促进了乙酰丙酸高效催化转化。

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反应温度对Mo/Al2O3催化碱木质素生物油加氢脱氧影响研究

作者(Author)：曹鹤, 杨天华, 李秉硕, 张海军, 佟瑶

摘要：碱木质素作为重要的工业木质素来源,通过水热液化技术可以保留其中芳环结构,用于制备生物燃料中芳烃组分。在反应过程中,温度对生物油产率和组分影响较大。重点研究了在Mo/Al2O3催化碱木质素水热液化制备生物油过程中,反应温度对油产率和芳烃产率影响。研究结果表明,随着温度升高,生物油产率先增加后减少,在280℃时获得最高生物油产率。生物油的O/C比随温度升高持续下降,最低可达0.22,同时H/C比则持续增加,最高可达1.14。此外,高位热值也持续增加,最大值可达30.41MJ/kg,温度的升高促进了生物油燃料特性的提升。然而,温度的升高对生物油中芳烃的富集不利,温度越高,生物油中芳烃的相对含量越低,而酚类化合物的含量越高。在260℃和添加质量分数15%的Mo/Al2O3催化剂条件下,芳烃的相对含量达到最大值34.1%,此时芳烃产物中对甲苯的选择性高达97.7%,芳烃产物富集效果最好。

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Ga、Zn改性ZSM-5对生物质热裂解产物单环芳烃选择性的影响

作者(Author)：柴美云, 刘荣厚

摘要：针对生物油组分复杂、含氧量高等问题,通过使用金属改性催化剂改善生物油的组成,提高生物油中单环芳烃(MonocyclicAromaticsHydrocarbon,MAHs)的选择性,并探讨了生物质催化热裂解反应机理。以硝酸镓、硝酸锌为改性剂,采用离子交换法对不同硅铝比的ZSM-5进行改性,使用Py-GC/MS外标法探究硅铝比(30、40、50和60)和金属元素类型(Ga、Zn)对玉米秸秆催化热裂解产物单环芳烃选择性的影响。结果表明,对于Ga/ZSM-5,硅铝比为30时更有利于单环芳烃的产生,此时玉米秸秆催化热裂解产物单环芳烃的相对含量为19.02%,是在母体ZSM-5(30)催化下的1.38倍;对于Zn/ZSM-5,硅铝比为40时更有利于单环芳烃的产生,此时玉米秸秆催化热裂解产物单环芳烃的相对含量为22.18%,是在母体ZSM-5(40)催化下的1.51倍。硅铝比对二甲苯、萘和二甲基萘的产率影响比改性金属元素影响大,改性金属元素对苯、甲苯和茚的产率影响比硅铝比影响大。从生物油的相对含量、元素组成、芳香烃的相对含量、以及单环芳烃的产率来看,Zn/ZSM-5(40)的催化效果优于Ga/ZSM-5(30)。

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焦油模型物与木屑共热解产物分布规律研究

作者(Author)：李学琴, 刘鹏, 王玲玲, 呼和涛力, 王志伟, 雷廷宙

摘要：利用甲苯和乙酸为焦油模型物,以杉木屑为原料,在一级固定床反应系统中进行共热解实验,以实现木屑热解最大化脱除焦油产气,并探讨不同温度下共热解产物分布规律及产物之间的协同作用。结果表明,与木屑单独热解相比,木屑与甲苯、乙酸共热解产生的协同作用呈现出优越的焦油脱除效果。尤其,木屑与甲苯共热解可有效地将焦油产率减少81.47%,从焦油组分来看,含氧类化合物在共热解过程中不能有效脱除,而芳烃类化合物在热解过程中易通过高温共热解脱除,乙酸与木屑共热解的协同作用较甲苯强度稍弱。共热解产物产率变化受温度影响显著,其变化规律与纯木屑单独热解一致,热解温度升高对半焦、焦油的抑制效果增强,为焦油脱除及高效转化提供了理论基础。

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松木基多孔碳表面重构强化过硫酸盐去除双酚A

作者(Author)：王亮才, 陈登宇, 周建斌

摘要：双酚A(BPA)作为最常用的工业化合物之一,在环境中具有持久性,对人类健康及其他微生物造成威胁,因此,开发双酚A高性能去除剂并了解其作用机制具有重要意义。基于此,采用KOH活化策略制备了松木基多孔碳(PC),利用NaBH4对PC进行表面重构获得性能增强的松木基多孔碳(PC-1)。随后,采用单因素的实验方法考察了在多孔碳/过硫酸盐系统中松木基多孔碳去除BPA的能力及机制。结果表明,与PC相比,PC-1表面的羟基增加,羰基减少,ID1/IG从1.55增至1.60。与PC/PDS系统相比,PC-1/PDS系统在反应温度为25、35及45℃时对BPA的降解效率分别提高了45%、18%和64%。淬火及电化学实验说明PC及PC-1分别通过自由基及非自由基途径去除BPA。因此,碳的内在缺陷是过硫酸盐活化的活性位点,而含氧官能团则是影响活化途径的关键因素。

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乙酸和富芳香组分对生物油电化学提质中聚合结焦的影响

作者(Author)：陈俊杰, 邓伟, 汪雪棚, 许凯, 徐俊, 江龙, 苏胜, 胡松, 汪一, 向军

摘要：生物油是唯一的液体含碳可再生资源,因其成分复杂、热值低、酸度高、粘度大等特点,必须经过提质才能进一步利用。生物油电化学提质是一种条件温和、易于控制的新兴提质方法,但仍面临生物油聚合结焦的问题,降低了提质生物油的品质和收率。通过对含有不同浓度乙酸和富芳香组分(Aromatic-RichFraction,ARF)的调制生物油分别进行电化学提质实验,对电化学反应后的溶液和焦表征分析,研究了乙酸和ARF对焦产率的影响规律,探讨了乙酸和ARF对生物油聚合结焦的影响机制。结果表明,乙酸能抑制生物油聚合结焦,加入浓度1%的乙酸可降低焦产率约25%,继续增加乙酸浓度会进一步降低焦产率;而ARF则会促进生物油聚合结焦,当ARF浓度从60%升到70%时,焦产率增加了约70%,当ARF浓度升到80%后,焦产率增加了约150%。乙酸能抑制生物油中酚类物质自缩合,降低了聚合结焦反应的速率,而ARF则增强了羟醛缩合反应,提高了聚合结焦反应的速率。

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小球藻水热催化联产功能化碳材料过程反应特性研究

作者(Author)：周清明, 张敬苗, 朱贤青, 黄云, 夏奡, 朱恂, 廖强

摘要：微藻水热碳化技术具有无需干燥高含水率微藻、反应溶剂绿色无污染、反应条件相对温和等优势,可用于制备碳点和水热炭等功能化碳材料,受到广泛研究关注。然而,目前微藻水热碳化制备的碳材料存在质量产率较低、性能较差的问题,需通过添加适宜的催化剂以提高碳材料的产率与品质。因此,研究了H2SO4、CH3COOH、NaOH、Na2CO3等催化剂对蛋白核小球藻水热碳化制备碳点与水热炭的影响规律,并采用集总参数法建立了水热碳化过程中多相产物的生成反应动力学模型。研究结果表明,4种催化剂均能提高微藻碳点质量产率,其中NaOH可使碳点产率提高约73.3%。添加酸性催化剂使碳点尺寸变小,碳点平均粒径最小仅为1nm;而在碱性条件下获得的碳点尺寸变化不明显,粒径主要集中在3.0~4.0nm之间。在230℃和100min条件下,CH3COOH作为水热催化剂制备的微藻碳点的荧光量子产率最高可达7.88%,并在340nm的吸收波长激发下发射出波长为420nm的最强发射荧光。元素分析表明,4种催化剂均降低碳点中的N元素含量,且均能提高水热炭的高位热值。催化剂对水热炭高位热值的提高效果由强到弱为H2SO4>CH3COOH>NaOH>Na2CO3。热重分析发现,在水热碳化过程中,微藻碳水化合物的水解转化比蛋白质更快;添加CH3COOH可以促进蛋白质水解转化,而碱性催化剂不利于碳水化合物的水解转化,这4种催化剂对微藻脂质降解过程的影响均不明显。动力学分析发现,水热碳化过程中主要反应包括碳点聚合生成水热炭、微藻生物油的析出以及微藻降解生成其他相产物。碳点主要是通过其他相产物中的小分子聚合和微藻大分子裂解直接生成;在230℃、CH3COOH催化条件下,微藻碳点较难发生水解,且微藻生物油水解后难以发生逆向反应。

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