顆粒在線訊：木質(zhì)纖維素由于其來源廣泛且獲取容易，是化石能源的潛在替代能源之一，但由于其能量密度低，限制了其在燃料方面的應(yīng)用。傳統(tǒng)的人造煤制備工藝所需條件苛刻（408atm、125oC、75天），導(dǎo)致成本較高，不適應(yīng)于大規(guī)模利用。

針對以上問題，江蘇大學能源與動力工程學院徐志祥副教授團隊提出了木質(zhì)纖維素通過低溫水熱碳化制備人造煤的新方法。該方法提供了一種耗能更低，時間更短的方法，通過添加氧化劑增強水解來破壞聚合物結(jié)構(gòu)，從而提高木質(zhì)纖維素水熱炭的煤化程度。該方法為廣泛的有機廢棄物處理提供了高效資源化利用的手段，同時為減少二氧化碳排放鋪平了道路。

圖文解讀

本研究提出在水熱碳化反應(yīng)中，以Mg(NO3)2（MN）為氧化劑，在短時間內(nèi)通過強化水熱碳化過程獲得深度碳化產(chǎn)品——人造煤的新方法。在水熱反應(yīng)過程自生壓條件下，木質(zhì)纖維素脫羧反應(yīng)得到有效增強，使木質(zhì)纖維素顆粒形成中空、規(guī)則且光滑的球形顆粒并減少其聚集。水熱碳化過程中的氧化作用可以有效破壞有機物結(jié)構(gòu)，形成低分子量化合物，對于提高原料煤化程度具有關(guān)鍵作用。

圖1. 不同條件下水熱炭的SEM圖

(A)纖維素水熱炭粒度；(B)木質(zhì)素水熱炭的粒度；(C)蛋清粉水熱炭的粒度；(D)松木粉水熱炭的粒度

在木質(zhì)纖維素水熱碳化過程中添加MN，能夠促進聚集的顆粒分散和光滑顆粒表面。MN能夠促進生物大分子表面-OH和-COOH進行脫水和脫羧反應(yīng)。在此條件下延長反應(yīng)時間，形成的顆粒為不規(guī)則球形且聚集現(xiàn)象增多。增加反應(yīng)過程中壓力，生物質(zhì)水解反應(yīng)得到增強，由于水解過程中形成低聚物含有親油和親水基團，導(dǎo)致其表面張力會隨著分子量的增加逐步降低。顆粒在表面張力和內(nèi)部壓力的共同作用下會形成空心球形水熱炭顆粒，同時顆粒表面發(fā)生脫水、脫甲基和脫羧反應(yīng)，從而形成光滑的表面。

圖2.水熱炭的XRD結(jié)果

(A)纖維素水熱炭；(B)木質(zhì)素水熱炭；(C)蛋清粉水熱炭；(D)松木粉水熱炭

纖維素，木質(zhì)素，蛋清粉和松木粉通過水熱碳化得到的水熱炭在XRD測試結(jié)果都表明在MN的加入或延長反應(yīng)時間的條件下，碳的衍射峰均寬于水熱碳化時間短且無氧化劑添加條件下得到的水熱炭，這說明MN能夠促進有機物碳化，縮短反應(yīng)時間。添加MN所得到的水熱炭的XRD測試結(jié)果中出現(xiàn)了一系列MgCO3的特征峰，這一現(xiàn)象充分說明MN在反應(yīng)過程中能夠促進有機物進行脫羧反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后形成的MgCO3吸附于水熱炭表面。

圖3.通過XPS分析水熱炭得到的官能團百分比

對有機物水熱碳化后得到的水熱炭進行XPS分析，總結(jié)了不同水熱碳化條件下得到的水熱炭的不同官能團的比例(圖3)。添加MN的水熱炭的C-C/H含量明顯降低，表明氧化劑的加入可以促進脫水反應(yīng)，進而提高煤化程度。以木質(zhì)素為原料得到的水熱炭中有明顯的C-N鍵，且添加MN后有明顯的上升趨勢，推測NO3-在水熱過程中能夠破壞芳香環(huán)，且其中的氮元素被固定于水熱炭中。

圖4.中國人造煤生產(chǎn)潛力

根據(jù)本研究提出的方案，農(nóng)林廢棄物制備人造煤具有廣闊前景。2021年我國農(nóng)業(yè)秸稈年產(chǎn)量約為7.4億噸，林業(yè)廢棄物年產(chǎn)量為2億噸。若將其全部轉(zhuǎn)化為人造煤，將大大減少化石能源的消耗，對于實現(xiàn)“雙碳”目標具有重大意義。

總結(jié)與展望

本試驗提出了一種利用木質(zhì)纖維素通過水熱碳化技術(shù)制備人造煤的新方法。本方法可提高木質(zhì)纖維素能量密度，擴大其應(yīng)用范圍。本項工作對于有機廢棄物資源化應(yīng)用進行了創(chuàng)新且有效的嘗試，為將來可再生能源替代化石能源作出了成功的嘗試，同時也在目前節(jié)能減排的背景下表明了水熱碳化技術(shù)的潛力。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.1c08338