生物質(zhì)作為一種備受矚目的可再生有機資源，涵蓋了植物、農(nóng)作物殘余、林業(yè)廢棄物等多種類型。通過熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)，生物質(zhì)能夠轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂懈吒郊又档幕瘜W(xué)品，熱解技術(shù)便是其中之一，它可以將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物油、生物炭和氣體燃料。

然而，傳統(tǒng)熱解生成的生物油存在明顯缺陷，含氧量過高且成分復(fù)雜，這使得它難以直接作為高品質(zhì)燃料或化學(xué)品投入使用。為了攻克這一難題，研究人員嘗試在熱解過程中引入催化劑，以此優(yōu)化反應(yīng)進程。以往常用的沸石或金屬氧化物催化劑，雖然在提升熱解效果方面表現(xiàn)出色，但它們成本高昂，并且容易因積碳問題而失去活性，這極大地限制了其大規(guī)模應(yīng)用。在這樣的困境下，來源廣泛、價格低廉的污泥衍生生物炭進入了研究人員的視野。

近期，來自澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)（RMIT University）與印度石油研究所（CSIR-Indian Institute of Petroleum）的團隊聯(lián)合發(fā)表于 Renewable Energy 的一篇題為“Role of carbo-catalyst on upgrading the pyrolysis vapors of spent Eucalyptus nicholii biomass: Towards sustainable phenolics production”的研究中，提出了一種極具創(chuàng)新性的方法，利用污泥衍生的活性生物炭（carbo-catalyst）來催化桉樹廢棄物的熱解過程，最終成功制備出酚類和烴類等高附加值化學(xué)品。

圖 | 廢棄生物質(zhì)在催化劑作用下轉(zhuǎn)化為烴類和酚類化合物的過程

這項名為 PYROCOTM 的技術(shù)由皇家墨爾本理工大學(xué)與 South East Water、Intelligent Water Networks 和其他水務(wù)部門經(jīng)過多年合作開發(fā)。其利用無氧高溫將處理過的污水轉(zhuǎn)化為富含碳的產(chǎn)品，稱為生物炭，生物炭可作為催化劑生產(chǎn)富含苯酚的生物油。

首先，研究團隊收集了大量污水處理過程中產(chǎn)生的污泥，在經(jīng)過磷酸或氫氧化鉀活化后熱解，制備出了具有高比表面積和豐富表面官能團的生物炭催化劑。其中，磷酸活化生物炭（PAC）表現(xiàn)尤為出色，其比表面積高達 616 平方米/克，表面富含 C=O、C-O-PO? 等酸性位點，為催化反應(yīng)提供了理想的活性中心。

當(dāng)這種催化劑應(yīng)用于桉樹廢棄物的熱解過程時，在 400 攝氏度的優(yōu)化條件下，生物油中的酚類含量從非催化條件下的 49.6% 大幅提升至 69.7%，同時碳氫化合物含量也從 4.56% 增加到 13.7%，這些酚類化合物包括苯酚、甲酚等高值化學(xué)品，是制造樹脂、藥物的重要原料；而生成的烴類則可作為燃料或化工原料使用。

圖 | 掃描電子顯微鏡分析圖，展示了污泥衍生生物炭催化劑的表面形

對桉樹廢棄物，研究人員同樣進行了全面分析。桉樹廢棄物主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等成分構(gòu)成，這些成分在熱解過程中的反應(yīng)行為各不相同。研究人員通過熱重分析技術(shù)，詳細考察了桉樹廢棄物在不同升溫速率下的熱解失重特性，分析其熱解反應(yīng)的起始溫度，峰值溫度以及熱解區(qū)間，從而確認(rèn)了后續(xù)熱解實驗中最佳的溫度條件。

最終在熱解實驗階段，研究團隊利用固定床熱解反應(yīng)裝置，將經(jīng)過預(yù)處理的桉樹廢棄物與制備好的活性生物炭催化劑按照一定比例混合后，放入反應(yīng)裝置中進行生產(chǎn)。

圖｜碳催化劑的加入顯著提高了生物油中 C7 和 C8 烷基酚含量

與未使用催化劑的傳統(tǒng)熱解相比，采用污泥衍生活性生物炭催化熱解，顯著改變了生物油的組成和性質(zhì)。生物油中的含氧量大幅降低，酚類和烴類等高附加值化學(xué)品的含量顯著增加。尤其是使用磷酸活化制備的生物炭催化劑時，在 400 攝氏度的熱解溫度下，生物油中酚類物質(zhì)的含量高達 69.7%，烴類物質(zhì)含量達到 13.7%。這一結(jié)果表明，活性生物炭催化劑能夠有效促進熱解反應(yīng)過程中的脫氧、芳構(gòu)化等反應(yīng)，使得生物油的品質(zhì)得到了極大提升。

總而言之，該研究的創(chuàng)新點主要在于采用了“雙重資源化”，即同時對兩種廢棄物加以利用，一種是桉樹加工后剩余的植物性生物質(zhì)，即桉樹廢棄物；另一種是污水處理過程中產(chǎn)生的污泥，研究人員將其制作成活性生物炭催化劑，不僅為廢棄生物質(zhì)的高效轉(zhuǎn)化提供了低成本、可持續(xù)的解決方案，也推動生物質(zhì)熱解技術(shù)朝著更經(jīng)濟、更環(huán)保的方向發(fā)展。

據(jù)悉，皇家墨爾本理工大學(xué)及其合作伙伴已從澳大利亞政府獲得 300 萬美元資金，用于明年在 South East Water 的一座水循環(huán)廠內(nèi)建造一座商業(yè)規(guī)模的示范工廠。

皇家墨爾本理工大學(xué)已提交專利申請，以保護研究人員與合作伙伴合作開發(fā)的技術(shù)，且已選擇 Iota 作為 PYROCOTM 的商業(yè)化合作伙伴。

1. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960148125001302?via%3Dihub

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