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生能要闻
复旦大学张士成团队实现生物质废弃物资源化利用
2017-11-20 10:32:36 来源:海外网 作者: 宋晗煜 【 】 浏览:52次 评论:0

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利用秸秆、药渣、餐厨垃圾等生物质废弃物制备的活性炭、功能碳材料,以及液相废水经厌氧发处理前后对比 宋晗煜 摄

团队成员(左起):博士生商华、张士成教授、罗刚副教授、博士生石岩(宋晗煜 摄).JPG

利用秸秆、药渣、餐厨垃圾等生物质废弃物制备的活性炭、功能碳材料,以及液相废水经厌氧发处理前后对比 宋晗煜 摄

2008年6月,北京奥运会帆船比赛开幕前夕,大量浒苔在青岛近海海域和沿岸聚集,一度影响到比赛的正常举行。国家当即投入了大量的人力物力进行浒苔打捞清理工作,清除浒苔100多万吨。之后浒苔绿潮每年爆发,而就在2010年青岛浒苔大面积爆发的前不久,复旦大学环境科学与工程系教授张士成在美国化学会的期刊上发表了一篇文章,探讨如何用浒苔制备生物油。他的工作也启发了更多科研工作者对于生物质废弃物综合利用的思考。

生物质废弃物的能源化和资源化利用可以同时解决环境污染问题、能源和资源短缺问题,形成环境保护与经济发展的良性循环,具有重要的环境、经济和社会效益。张士成团队在生物质废弃物水热资源化综合利用方面的基础理论研究与应用技术开发现已处于国内国际前列,并将在2017中国国际工业博览会上展示他们的研究成果。

变废为宝:点亮废弃物的新价值

中国每年产生大量生物质废弃物,包括玉米秸秆、水葫芦、浒苔、绿化废弃物、药渣等,带来了环境污染问题。秸秆焚烧带来大气环境污染问题,浒苔和水葫芦爆发造成航道阻塞、腐烂后造成水体环境污染……政府部门每年都需要投入大量的人力物力来进行处理。

转换一种视角,生物质废弃物主要成分是纤维素、半纤维素、木质素等,可以作为生物质能源、生物质燃料、生物基化学品和材料的原料,是良好的生物质资源。实际的利用价值是张士成团队研究生物质废弃物转化的一个重要出发点,他们以常见的生物质废弃物为原料,采用水热转化技术,通过特定的催化剂作用得到了生物油、水相产物和固相产物。

“现阶段转化得到的生物油是非常复杂的混合物,在组分和物态方面更接近原油。”张士成补充道,这些生物油可以通过进一步的分离提质得到小分子的化学品和燃油,日后可以用于车用燃料等。

水相产物主要是一些有极性的、水溶性较强的化合物。在这个部分,团队已经可通过膜分离和柱层析的方法得到一些纯度较高的化学品,比如木糖、有机酸(乙酸、乳酸等)、苯酚等。同时,生物燃料也是水相产物的一部分。

固相产物可用于制备碳材料或者土壤改良剂。经过水热液化技术直接得到的是水热炭,它可以进一步通过添加不同的活化剂等制备得到一系列的碳材料。举例而言,一般的商品活性炭的比表面积在1000m2/g左右,而经过特殊活化技术处理的活性炭比表面积能达到3000m2/g,大大提升了其吸附性能,同时可以运用到超级电容电极材料。土壤改良剂则是用于保持水分和营养,吸收固定大气中的二氧化碳,应用前景广阔。

除了利用热化学的方法,张士成表示,团队对于在水热转化的过程中产生的剩余液体也做了资源化研究。经由厌氧发酵的方法可以产生沼气、氢气或有机酸等,从而实现液相有机物的去除及资源化利用。

定向控制:根据特定需求实现产物可控

在谈及整个生物质废弃物水热资源化综合利用技术的核心时,张士成指出,关键在于根据特定需求做到转化条件和产物结果的可控制化。

生物质废弃物非常复杂,不同的政府部门或者相关企业对于资源化处理结果的需求有所不同。有些希望得到材料多一点,有些是需要更多生物能源,而有些则是对发酵产物的需求更大,那么这就要求研究者必须在实验室中将各种转化条件弄清楚,这样才能知道实现某一特定需求的具体操作条件如何。

“生物质催化液化的过程是很关键的,在此过程中可以控制反应条件、催化剂来达到定向转化的目的。如果倾向于在水相产物中得到更多的酚类化合物,就可以选用特定的易于酚类转化的催化剂,或者在原料处理时就选用含木质素较多的生物质废弃物。”张士成解释。

在制备化学品的这个角度之外,由水热炭制备不同功能的碳材料同样经过了催化转化,控制催化活化的技术、方法、条件,改变材料的比表面积或表面官能团,从而得到具有特定性能的碳材料。张士成在介绍时举例,在活化过程中定量地添加一些铁盐,它们在反应中转化成氧化铁附着在活性炭上,便可以得到磁性活性炭,这样在吸附污染物后可以很容易地用磁铁把它分离出来,以供回收利用。若在活性炭上负载氧化镁,那么它对特定的污染物,比如说磷元素的吸附能力就能大大增强。

在厌氧发酵方面,张士成团队也做了大量基础研究,旨在弄清楚经水热反应后的液体中的有机物如何实现向生物燃料和化学品的高效转化,同时结合蛋白质组学和宏基因组学等分子生物学技术手段阐明厌氧转化机制及微生物群落动态变化特征,为后续定向控制发酵过程及提高厌氧发酵效率提供理论支持。除此之外,张士成团队也提出将热解气化与厌氧发酵相结合以实现生物质废弃物的高效资源化利用。举例而言,在处理有机废弃物的厌氧反应器中通入生物质废弃物热解制得的合成气可以同步实现合成气与有机废弃物的甲烷化,充分发挥厌氧反应器产甲烷的潜力,产生的甲烷可以替代天然气使用,该项技术的研究已经在实验室取得了成功。

张士成总结:“我们这项技术的整个应用将来肯定是属于环境工程的领域。我们目前研究的虽然只是环境工程技术里面的一些科学问题,但是我们把科学问题抽离出来,搞清楚全面的情况后,就能很容易地返回到环境工程中,去指导生物质废弃物的处理过程。”

多方合作:“一定要做到优势互补”

水热催化初步得到的产物是相当复杂的,大分子和小分子的化合物并存,如何在分离后对这些产物进行分析成为了一大难点。张士成坦诚,相关仪器设备的缺少会成为他们研究的“绊脚石”。

为了解决这个问题,团队积极同兄弟单位寻求合作。据张士成介绍,团队部分产物分析工作是在北京一个专门研究重油的国家重点实验实验室里完成的,借用了对方先进的设备实现了对产物的进一步分析。另外,团队也和北京光源、上海光源国家科学中心保持良好的合作关系,在他们的实验室里用同步辐射光源研究生物质废弃物所含的重金属和制备的碳材料的结构形态。“科研是需要合作的,假如自身没有手段去完成实验,或是在某些方面有所欠缺,那就要去共同合作,一定做到优势互补。”张士成强调。

现阶段,已有不少企业和张士成团队达成了合作关系,团队和迪士尼公司就已经签订了一个处理绿化废物的项目。张士成团队负责提供技术支持,企业自身则运用市场化的方式来运作。对企业而言,对生物质废弃物进行转化处理不仅解决了环境问题,同时也会提升经济价值,是环境效益、经济效益和社会效益兼顾之举。

为了此次工博会,张士成团队在实验室范围内的小试已经做了很多,水热催化过程80L容量的中试也已经实现。同时,相关论文已经发表了40余篇,专利申请了27项,其中9项已获得了授权。张士成希望可以借工博会这个平台往前跨一步,能在中试的基础之上,得到企业的资助和政府的支持,设计一个可投入大量使用的完整处理系统,在多方合作下,真正的解决实际生活中生物质废弃物污染的问题。

多年来,张士成沉心于科研工作,信奉并践行着将个人需求、社会需求、国家需求相结合的科研理念。“科研工作需要长期的坚持,每天都会有新的发现,当个人发展和社会需求紧密结合时,这个职业道路才走得更远更有意义。”张士成这样表达着对学生的期盼。


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