顆粒在線訊：木質(zhì)纖維素由于其來(lái)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(duì)以上問(wèn)題，江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院徐志祥副教授團(tuán)隊(duì)提出了木質(zhì)纖維素通過(guò)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(shí)間更短的方法，通過(guò)添加氧化劑增強(qiáng)水解來(lái)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(jī)廢棄物處理提供了高效資源化利用的手段，同時(shí)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(shí)間內(nèi)通過(guò)強(qiáng)化水熱碳化過(guò)程獲得深度碳化產(chǎn)品——人造煤的新方法。在水熱反應(yīng)過(guò)程自生壓條件下，木質(zhì)纖維素脫羧反應(yīng)得到有效增強(qiáng)，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(guò)程中的氧化作用可以有效破壞有機(jī)物結(jié)構(gòu)，形成低分子量化合物，對(duì)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(guò)程中添加MN，能夠促進(jìn)聚集的顆粒分散和光滑顆粒表面。MN能夠促進(jìn)生物大分子表面-OH和-COOH進(jìn)行脫水和脫羧反應(yīng)。在此條件下延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)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(guò)程中壓力，生物質(zhì)水解反應(yīng)得到增強(qiáng)，由于水解過(guò)程中形成低聚物含有親油和親水基團(tuán)，導(dǎo)致其表面張力會(huì)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(huì)形成空心球形水熱炭顆粒，同時(shí)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(guò)水熱碳化得到的水熱炭在XRD測(cè)試結(jié)果都表明在MN的加入或延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間的條件下，碳的衍射峰均寬于水熱碳化時(shí)間短且無(wú)氧化劑添加條件下得到的水熱炭，這說(shuō)明MN能夠促進(jìn)有機(jī)物碳化，縮短反應(yīng)時(shí)間。添加MN所得到的水熱炭的XRD測(cè)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(shuō)明MN在反應(yīng)過(guò)程中能夠促進(jìn)有機(jī)物進(jìn)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(guò)XPS分析水熱炭得到的官能團(tuán)百分比

對(duì)有機(jī)物水熱碳化后得到的水熱炭進(jìn)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(tuán)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(jìn)脫水反應(yīng)，進(jìn)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(shì)，推測(cè)NO3-在水熱過(guò)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(guó)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(guó)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(duì)于實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重大意義。

總結(jié)與展望

本試驗(yàn)提出了一種利用木質(zhì)纖維素通過(guò)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(kuò)大其應(yīng)用范圍。本項(xiàng)工作對(duì)于有機(jī)廢棄物資源化應(yīng)用進(jìn)行了創(chuàng)新且有效的嘗試，為將來(lái)可再生能源替代化石能源作出了成功的嘗試，同時(shí)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