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中國科學(xué)報:“缺陷美”化腐朽為甲烷

中國電力網(wǎng)發(fā)布時間:2021-08-30 09:29:30  作者:《中國科學(xué)報》

金秋時節(jié),一派豐收景象。人們在享受大自然饋贈的同時,也將秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物遺棄在土地上,長年累月,造成多種環(huán)境問題。如何化腐朽為神奇、將廢棄生物質(zhì)資源變廢為寶,成為研究人員思考的問題。

一種新方法可將木質(zhì)纖維素等生物質(zhì)資源在較溫和條件下高選擇性轉(zhuǎn)化為生物甲烷

近日,中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員王峰團(tuán)隊與大連理工大學(xué)特聘研究員王敏團(tuán)隊合作研發(fā)出一種新方法,實現(xiàn)了在200攝氏度的較溫和條件下,將木質(zhì)纖維素等生物質(zhì)資源高選擇性轉(zhuǎn)化為生物甲烷,為生物質(zhì)資源利用開拓新路徑。相關(guān)研究成果已在《焦耳》發(fā)表。

“該研究大約歷時兩年時間,為生物質(zhì)資源的有效利用提供了新思路?!蓖醴鍖Α吨袊茖W(xué)報》說。

甲烷大規(guī)模生產(chǎn)存難點

生物質(zhì)資源是自然界唯一且大量存在的可再生有機(jī)碳資源,富含種類豐富的C-C鍵和C-O鍵。

“如果能實現(xiàn)生物質(zhì)中的C-C鍵和C-O鍵高選擇性斷鍵,就能夠獲得甲烷、甲醇、乙醇等各種各樣的重要能源化學(xué)品?!蓖醴逭f。

中國是農(nóng)業(yè)大國,可利用的秸稈等植物生物質(zhì)資源十分豐富。據(jù)不完全統(tǒng)計,2015年和2016年的農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量均在7 億噸以上。然而,目前大量植物生物質(zhì)資源并沒有有效的利用方式,其中一部分被就地焚燒,不僅造成了生物質(zhì)能源的浪費,而且易引發(fā)大氣污染等多種環(huán)境問題。

甲烷是一種重要燃料,也是一類必不可少的化工原料。將生物質(zhì)資源在溫和條件下高效轉(zhuǎn)化為甲烷,不僅能降低廢棄生物質(zhì)的堆積或焚燒對環(huán)境造成的污染,還能作為對天然氣工業(yè)的一種補充,實現(xiàn)廢棄資源的有效利用。近年來,越來越多的科研人員希望能探索出高選擇性生物質(zhì)甲烷化的技術(shù)。

記者了解到,傳統(tǒng)的生物甲烷制備有兩種方式,一是高溫催化方法,往往需要兩三個步驟串聯(lián),包括400攝氏度以上高溫下生物質(zhì)氣化過程、300攝氏度以上的混合氣體甲烷化,以及最終的甲烷純化過程等。這一系列步驟的反應(yīng)條件苛刻,對設(shè)備要求較高,能耗較大。另一種方法是生物工程技術(shù),通過厭氧發(fā)酵過程產(chǎn)生沼氣,其主要成分是甲烷。

王敏表示,雖然國內(nèi)外在厭氧發(fā)酵這一領(lǐng)域取得了許多突破性成果,但大規(guī)模建設(shè)沼氣工程仍然存在諸多難點。此外,微生物厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣通常含有30%~55%的二氧化碳,不僅降低了沼氣的熱值,而且會對氣體運輸?shù)墓艿涝斐筛g。

一般來說,為了滿足市場需求,微生物厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣必須經(jīng)過氣體凈化,才能轉(zhuǎn)化成為高純度的生物甲烷。

王峰表示,在較溫和的條件下,將生物質(zhì)資源直接轉(zhuǎn)化為高純度的生物甲烷成為團(tuán)隊的研究焦點。

“缺陷美”提高催化效率

從化學(xué)分子結(jié)構(gòu)看,生物質(zhì)能源富含的纖維素由許多種類豐富的C-C鍵和C-O鍵鏈接而成。理論上只需要將這些分子中的C-C鍵和C-O鍵選擇性切斷并加氫,就能夠獲得甲烷。在這一過程中,催化劑就像一把剪刀,把大塊的纖維素剪成“小不點”。但催化劑不計其數(shù),功能和效率各異,尋找符合條件的催化劑猶如大海撈針。

“催化劑的篩選以及催化過程的原位表征是此次研究的難點?!蓖趺粽f。

為此,研究團(tuán)隊嘗試了各種不同載體,通過調(diào)控不同的金屬負(fù)載方式,制備了一系列不同的金屬/載體類負(fù)載性催化劑,并檢測了它們將生物質(zhì)資源直接甲烷化的能力。

多次嘗試后,研究人員發(fā)現(xiàn),負(fù)載金屬釕納米顆粒的二氧化鈦催化劑與生物質(zhì)分子發(fā)生了奇妙的化學(xué)反應(yīng),生物質(zhì)分子可以被這種催化劑的晶格氧氧化成二氧化碳,并在催化劑上生成氧缺陷。隨后,在二氧化碳加氫還原成甲烷的過程中,裂解出的氧原子填充氧缺陷從而恢復(fù)催化劑。

“這就像擊鼓傳花一樣,形成了一個閉環(huán),提高了催化劑的催化效率,降低了甲烷轉(zhuǎn)化所需的溫度?!蓖趺粽f。

值得一提的是,該催化過程在溫度低至120攝氏度時,依然可以穩(wěn)定催化甘油水溶液產(chǎn)生生物甲烷,大大降低了反應(yīng)“門檻”。

應(yīng)用還需完善技術(shù)路徑

目前,人類迫切需要發(fā)展綠色的能源開發(fā)、利用方式,但這項研究仍處于實驗室階段,接下來還需進(jìn)行工業(yè)放大試驗,將這一催化過程放大至工業(yè)生產(chǎn)級別,同時還有許多研究問題需要解決、許多技術(shù)實現(xiàn)路徑需要完善。

“技術(shù)相對成熟后,還需要考慮成本問題?!蓖趺粽f,雖然農(nóng)業(yè)秸稈等廢棄生物質(zhì)資源儲量豐富,但是收集和運輸?shù)某杀緦眠@項技術(shù)生產(chǎn)的生物甲烷的最終價格影響很大,高昂的成本也會影響該技術(shù)的規(guī)?;瘧?yīng)用。

王敏表示,廢棄生物質(zhì)資源大多集中在農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū),可以考慮在這些地區(qū)或生物柴油等產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)合密切的區(qū)域建立小型甲烷生產(chǎn)廠,將大量廢棄秸稈、產(chǎn)業(yè)鏈副產(chǎn)物,或收集起來的廚余垃圾等作為原料制備生物甲烷,先行先試,驗證效果。

可以肯定的是,應(yīng)用這項技術(shù)之前需要綜合考慮整個過程的經(jīng)濟(jì)收益,才能推廣應(yīng)用。


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