趙志月,蔣志偉,曾永健,嚴 凱, 2, *
(1. 中山大學 環(huán)境科學與工程學院, 廣東 廣州 510006; 2. 華南農(nóng)業(yè)大學 嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學與技術(shù)廣東省實驗室, 廣東 廣州 510642)
農(nóng)林生物質(zhì)固廢是由碳水化合物和芳香族化合物組成[1-2],由于其成本低、儲備豐富和可再生等特點,開發(fā)高效處理農(nóng)林固廢的方法已經(jīng)成為廣大研究者關(guān)注的熱點[3-4]。農(nóng)林生物質(zhì)固廢的處理技術(shù)可以分為生化轉(zhuǎn)化技術(shù)和熱轉(zhuǎn)化技術(shù)[5]。生化轉(zhuǎn)化技術(shù)通常與厭氧消化技術(shù)相結(jié)合來處理農(nóng)林固廢[6],該技術(shù)雖然清潔環(huán)保,但技術(shù)設(shè)備投資大,產(chǎn)能較低,而且會產(chǎn)生無法直接處理的固體廢物,使得該技術(shù)無法全面推廣和發(fā)展[7]。熱化學轉(zhuǎn)化則是通過利用各種加熱手段切斷生物質(zhì)中的大分子的化學鍵,使之轉(zhuǎn)化為高附加值化學品。熱化學轉(zhuǎn)化包括燃燒、氣化、液化以及熱解4種方式[8]。燃燒是一個完全氧化的過程,生物質(zhì)在外部供氧的情況下分解,通過放熱反應(yīng)將生物質(zhì)中捕獲的化學能轉(zhuǎn)化為熱量[9]。生物質(zhì)燃燒不僅會造成大量污染物的排放,而且產(chǎn)物的附加值較低[10]。氣化是在700~1 000 ℃的溫度范圍內(nèi)進行的部分氧化合成氣體燃料[11],但是生物質(zhì)氣化處理方式的成本高、效率低,另外合成氣的儲存和運輸成本遠高于固體和液體[12]。液化是通過在高溫高壓液體環(huán)境中處理一段時間,將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為液體燃料,以便將固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)分解為液體成分[13]。然而,生物質(zhì)液化會產(chǎn)生低熱值和化學成分復雜的液體燃料,進一步分離和提純的成本很高[14]。由于熱解技術(shù)可將農(nóng)林生物質(zhì)固廢轉(zhuǎn)化為用途廣泛的液體燃料,因此得到了廣泛關(guān)注和應(yīng)用[15-16]。與其他處理生物質(zhì)的技術(shù)相比,生物質(zhì)熱解為制備燃料和化學品提供了一條經(jīng)濟有效的途徑。同時,熱解產(chǎn)物中的生物炭也可以作為制備高附加值材料的碳源[17]。
本綜述將基于農(nóng)林生物質(zhì)熱解的研究進展,首先介紹生物質(zhì)的熱解方式,然后系統(tǒng)地介紹生物質(zhì)的組成、各組分熱解反應(yīng)機制,以及生物質(zhì)熱解制富酚生物油的研究進行討論,最后對生物質(zhì)熱解制富酚生物油進行展望。
農(nóng)林生物質(zhì)熱解是指在無氧的條件下大分子發(fā)生斷裂形成小分子有機物的化學反應(yīng)過程,其主要包括傳統(tǒng)熱解和微波熱解兩種模式[18]。如圖1所示,傳統(tǒng)熱解是通過熱傳導、對流傳熱和熱輻射3種基本方式進行升溫加熱生物質(zhì),是一種由外而內(nèi)的逐層式加熱模式,不可避免地導致內(nèi)部受熱慢以及局部受熱不均,進而導致二次熱解程度增加和產(chǎn)品質(zhì)量下降。因此,傳統(tǒng)熱解生物質(zhì)不僅耗能高,而且所得到的產(chǎn)物可利用價值低[18],亟需尋找一種更經(jīng)濟和更高效的加熱方式來促進生物質(zhì)熱解技術(shù)的發(fā)展。相較于傳統(tǒng)加熱,微波加熱是一種更高效的生物質(zhì)加熱方式。從宏觀層面來講,與傳統(tǒng)的加熱方式不同的是,微波加熱是一種由內(nèi)向外的體積式加熱,并能夠深入原料內(nèi)部快速的選擇性加熱,減少了二次熱解的發(fā)生并最大程度的提升了可凝性揮發(fā)分(生物油)與不可凝性氣體揮發(fā)分(合成氣)的品質(zhì)[19]。從微觀角度來說,生物質(zhì)微波熱解過程主要是依賴介電加熱方式來進行加熱。介電加熱是指材料中的帶電粒子在微波作用下與電磁輻射發(fā)生相互作用,造成材料內(nèi)的分子間劇烈震動、碰撞和摩擦來產(chǎn)生熱量加熱物質(zhì)[20],這種方式的加熱極大的提升了熱解效率。從以上兩種方式可以看出,與傳統(tǒng)熱解相比,微波熱解利用微波加熱的方式不僅可以最大限度提升熱解產(chǎn)物的產(chǎn)量和質(zhì)量,還可以減少污染物的生成[21]。
圖1 微波加熱和傳統(tǒng)加熱的區(qū)別[18]Fig. 1 The difference between microwave heating and traditional heating[18]
微波熱解生物質(zhì)所得產(chǎn)物分為生物油、合成氣和生物炭,這3種產(chǎn)物的產(chǎn)量在很大程度上取決于原料的類型[22]。然而在原材料一定的情況下,微波熱解的工藝參數(shù)是其產(chǎn)物分配的決定性因素,這些因素具體包括溫度、升溫功率、保溫時間、粒徑、吹掃氣體類型和流速等[23]。在微波熱解的過程中,不同因素對各產(chǎn)物產(chǎn)量和生物油組分的影響不盡相同,因此需要探究工藝條件對微波熱解高效處理農(nóng)林生物質(zhì)固廢的高值化水平。盡管通過控制變量法探究某一因素對微波熱解處理生物質(zhì)的效果操作簡單可行,但是缺乏對各因素的深入理解會造成微波處理農(nóng)林生物質(zhì)固廢需要很高的工藝成本和很低的工藝效率。這是因為因素之間并不是相互獨立的,例如達到指定溫度必須要有一定的加熱功率,保溫時間的確定必須指定保溫的溫度,粒徑的大小必須指定加熱容器的容積大小等。因此,單獨研究某一變量對產(chǎn)物產(chǎn)量的影響并不能全面深入的把握和理解各因素對各產(chǎn)物產(chǎn)量的實際作用,還需要對各因素之間的交互作用進行考察。深入理解各因素對微波熱解生物質(zhì)的作用的基礎(chǔ)上對微波熱解的結(jié)果進行準確的預(yù)測和優(yōu)化,可以大幅度降低工藝成本和減小無關(guān)實驗的數(shù)量。
農(nóng)林生物質(zhì)是地球上最豐富的非食用類生物質(zhì),主要來源于林業(yè)和農(nóng)業(yè)廢棄物,如木頭屑和水稻秸稈等[24]。農(nóng)林生物質(zhì)主要分為以下4類:硬木、軟木、農(nóng)業(yè)廢棄物和草本類植物[25]。其中,軟木主要包括針葉類和裸子類樹木,如冷杉、松樹、鐵杉和柏樹等;硬木主要涵蓋被子植物,如柳樹、楊樹和橡樹等[26]。硬木的細胞結(jié)構(gòu)比軟木更復雜,其中含有較大的導水孔和導管,這些孔或者導管被纖維細胞所包圍。農(nóng)業(yè)廢棄物主要包括各種秸稈類廢物,如水稻秸稈、小麥秸稈和玉米秸稈等。農(nóng)林生物質(zhì)由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成[27],每種生物質(zhì)的3種組成成分不盡相同,按照其成分的不同一些木質(zhì)生物質(zhì)的組成詳見表1[28]。
表1 部分生物質(zhì)三種組成分布匯總[28]
纖維素、半纖維素和木質(zhì)素這3種成分的空間結(jié)構(gòu)如圖2所示[29]。一般來說,纖維素在木質(zhì)纖維素生物質(zhì)中占比在10%~50%之間[30],其化學式可記為(C6H10O5)k,其中k為平均聚合度。木質(zhì)生物質(zhì)的纖維素的平均聚合度為9 000~10 000,有個別生物質(zhì)高達15 000[31]。纖維素中連接葡萄糖單元(C6H10O5)的糖苷鍵不穩(wěn)定,在酸性和高溫條件下容易斷裂[32],這可能是酸性催化劑會導致相對較高的生物油產(chǎn)率的原因。半纖維素由雜多糖(戊糖和己糖)組成,呈無定型和分支狀結(jié)構(gòu),一般占生物質(zhì)的15%~30%[33]。由于半纖維素的分離困難且研究相對較少,因此這里不做過多的贅述。
圖2 木質(zhì)纖維素的結(jié)構(gòu)及其對應(yīng)的組成成分[29]Fig. 2 Structure of lignocellulose and its corresponding components[29]
木質(zhì)素由松伯醇(G)、芥子醇(S)和對香豆醇(H)3個基本單元組成,如圖3所示[34]。這3種單元位的主要區(qū)別是附著在芳香環(huán)上的甲氧基數(shù)目不同。這些基本單位包含至少一個苯基和一個丙基側(cè)鏈,因此木質(zhì)素中芳香單元被稱為苯基丙烷單元,這3種基本單元的比例很大程度上和生物質(zhì)的種類有關(guān)[34]。根據(jù)這3種基本單元的豐富度,木質(zhì)素可分為軟木質(zhì)素(松伯醇占大部分),硬木質(zhì)素(松伯醇和芥子醇占大多數(shù))和草木質(zhì)素(3種成分含量均較多)[35]。這些單元通過4種C—O鍵(β—O—4、α—O—4、γ—O—4和5—O—4)和3種C—C鍵(5—5、β—1和β—5)連接形成無定型的三維空間結(jié)構(gòu)[26]。其中,β—O—4是最常見的連接鍵,其含量大于50%[36]。此外,木質(zhì)素還含有大量的含氧官能團,如羥基、甲氧基和羧基等[37]。
圖3 木質(zhì)素的基本單元及其鍵合結(jié)構(gòu)[34]Fig. 3 The basic unit of lignin and its bonding structure[34]
如圖4所示,生物質(zhì)的3種基本組成(纖維素、半纖維素和木質(zhì)素)的含量影響著熱解產(chǎn)物中生物炭、生物油和合成氣的分布[19],并且各組分的相互作用也會影響熱解產(chǎn)物的分布[38]。纖維素不僅能產(chǎn)生生物油和合成氣,自身重量的60%~90%也會轉(zhuǎn)換為生物炭[39]。半纖維素熱解趨向于生產(chǎn)生物油和合成氣,并生成少量的生物炭[40]。而木質(zhì)素剛性較強,是生物炭的主要貢獻者,對生物油和合成氣的貢獻微乎其微[41]。除了組成成分,熱解工藝參數(shù)對生物質(zhì)熱解產(chǎn)物也有影響。低溫(300~500 ℃)和慢速(10~20 ℃/min)適合生產(chǎn)生物炭[42]。中高溫(500~600 ℃)和快速(25~30 ℃/min)適合生物油的生產(chǎn)[43]。高于600 ℃的條件下,由于可凝性揮發(fā)組分在高溫下會發(fā)生二次熱解,會導致合成氣的產(chǎn)量持續(xù)上升[44]。因此,在生物質(zhì)種類一定的情況下,應(yīng)該選擇合適的熱解工藝參數(shù)。此外,值得一提的是,快速熱解初期,由于纖維素中的糖苷鍵的斷裂,聚合度迅速降低,纖維素發(fā)生急劇降解,表明升溫速率可能會導致纖維素降解速率加快從而導致生物油產(chǎn)率升高。更進一步來說,聚合度是纖維素是否能快速降解的重要衡量指標。纖維素鏈越短,也就是聚合度越低,纖維素熱解速率越快[45]。因此,纖維素鏈短和總含量高的生物質(zhì)更適合產(chǎn)油。
圖4 三種基本組成的熱解產(chǎn)物分布[19]Fig. 4 Distribution of pyrolysis products of three basic components[19]
纖維素的熱解行為如圖5所示[46]。纖維素熱解過程中,纖維素鏈的分子內(nèi)脫水是在低于300 ℃的溫度下開始的,生成非揮發(fā)性低聚糖[47]。繼續(xù)升高溫度,在300~400 ℃之間,開始發(fā)生脫羰,開環(huán)聚合和芳構(gòu)化等反應(yīng),生成輕醛/輕酮,單體糖和一些呋喃類有機化合物[31, 48]。在大于400 ℃的條件下會發(fā)生二次熱解,單體糖會轉(zhuǎn)化為呋喃類和輕醛/輕酮類化合物,呋喃類化合物也會進一步發(fā)生二次熱解生成小分子化合物[49-50]。影響纖維素熱解最終產(chǎn)物的參數(shù)不止有溫度,還有結(jié)晶度、晶粒尺寸和晶體結(jié)構(gòu)等[45]。另外,結(jié)晶度對生物油的產(chǎn)量和生物油的具體組成也有著明顯的影響,結(jié)晶度越低,越有利于炭和氣體的形成,也更容易生成更多的呋喃類化合物[51-52],而纖維素結(jié)晶度高的生物質(zhì)更適合提升生物油產(chǎn)量。
圖5 纖維素熱解可能的反應(yīng)機理[46]Fig. 5 Possible reaction mechanism and scheme of cellulose pyrolysis[46]
半纖維素的失重溫度區(qū)間一般主要集中在220~315 ℃[53],可能的熱解路線如圖6所示[30]。Carrier等通過液相13C NMR定量分析發(fā)現(xiàn),半纖維素熱解產(chǎn)物中,羧酸類化合物的含量最多,接下來依次是非芳香酮類,呋喃類,糖類,非芳香醛類等[54]?;贒FT計算法,Wang等比較了木糖轉(zhuǎn)化為糠醛的不同反應(yīng)路徑,并發(fā)現(xiàn)木糖的形成及其隨后的氫化環(huán)化和脫水反應(yīng)更有利于糠醛的形成[55],Lu等發(fā)現(xiàn)β-d-xylose的C1-C2和C4-C5是羥基乙醛的主要來源[56]。此外,對于來自C1-C2段的羥基乙醛,最可行的途徑是D-木糖的C2-C3鍵通過逆羥醛醇反應(yīng)斷裂,形成甘油醛和1,2-乙烯二醇,再經(jīng)過互變異構(gòu)形成羥基乙醛。
圖6 半纖維素熱解可能的反應(yīng)機理[30]Fig. 6 Possible reaction mechanism and scheme of hemicellulose pyrolysis[30]
由于木質(zhì)素的剛性結(jié)構(gòu)導致木質(zhì)素發(fā)生熱解的難度較大,溫度范圍較廣,一些研究人員也證實了這一點。比如Shen等[57]發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素樣品的熱分解發(fā)生的溫度范圍為150~700 ℃,Yeo等[58]發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素的熱解溫度范圍為144~824 ℃等。通過相關(guān)研究的總結(jié),木質(zhì)素發(fā)生熱解的可能反應(yīng)機制如圖7所示[28]。在小于200 ℃條件下,木質(zhì)素首先經(jīng)歷了軟化過程(玻璃化轉(zhuǎn)變),形成液體形態(tài)[59]。這個階段的熱解過程又叫做脫水階段,除了發(fā)生脫水,也伴隨著脫甲氧基、脫甲基和脫羧等化學反應(yīng)[60]。與此同時,也會產(chǎn)生大量不可凝性氣體,比如CO2、CO、CH4等[61]。然后通過裂解C—O鍵和C—C鍵將其轉(zhuǎn)化為酚類物質(zhì),此時的酚類為甲氧基酚類。此階段隨著溫度上升到200~350 ℃時,液態(tài)中間產(chǎn)物解聚為木質(zhì)素單元,也就是松伯醇,芥子醇和對香豆醇[62]。又被稱為初始解聚反應(yīng)階段,是最受關(guān)注的階段[63]。在350~500 ℃的范圍內(nèi),這些甲氧基酚可通過脫烷基和脫甲氧基反應(yīng)等多重熱解反應(yīng)進一步直接轉(zhuǎn)化為烷基酚和苯酚[64]。進一步升高溫度,甲氧基苯酚和其它酚類化合物會發(fā)生二次熱解生成脂肪族類的有機化合物(比如甲醇)[49]。此階段被稱作為被動熱解階段,此時剩余的木質(zhì)素開始發(fā)生炭化[65]。
圖7 木質(zhì)素熱解可能的反應(yīng)機理方案[28]Fig. 7 Possible reaction mechanism and scheme of lignin pyrolysis[28]
生物油是一種含氧化合物組成的混合物[66],酚類化合物作為一種重要的生物油組分,其主要來源于木質(zhì)素[67]。但在一些研究中發(fā)現(xiàn),還有一部分酚類化合物來源于半纖維素和纖維素的熱解[68-69]。如圖8所示,纖維素先通過熱解生成脫水糖,脫水糖進一步脫水和重排以后生成帶有呋喃環(huán)的呋喃類化合物,這些呋喃類化合物再次發(fā)生重排生成酚類化合物[68]。另一方面,由纖維素脫水和脫羧形成的C5化合物通過Diels-Alder、脫羰基和齊聚反應(yīng)在生物炭上脫去小分子氣體,然后轉(zhuǎn)化為苯酚[70]。此外,半纖維素也可以通過裂解產(chǎn)生呋喃化合物然經(jīng)過芳構(gòu)化轉(zhuǎn)化為酚類化合物。然而,纖維素和半纖維素轉(zhuǎn)化為酚類的條件相對苛刻,且產(chǎn)生的酚類物質(zhì)種類單一,其它大部分酚類的產(chǎn)生依舊來源于木質(zhì)素。生物質(zhì)的種類是決定其酚類含量的決定性因素,因此一般選擇高木質(zhì)素含量類型的生物質(zhì)固廢制備富酚生物油。
近年來,由于酚類化合物的抗氧化性能及其作為添加劑的應(yīng)用,酚類化合物的生產(chǎn)受到了研究人員的廣泛關(guān)注[71-72]。此外,因為它們可以作為替代品用于制造酚醛樹脂,具有潛在的商業(yè)價值。酚類化合物可以通過生物質(zhì)的快速熱解生成[73],為了從生物油中獲得芳香族和酚類化合物,工藝條件的優(yōu)化和催化熱解被認為是提高生物油選擇性和增加其商業(yè)價值的有效方法[74]。
升溫速率、最高溫度以及保留時間對制備富酚生物油具有重要影響[75-76]。傳統(tǒng)加熱和微波加熱因為各自的特點被廣泛應(yīng)用于生物質(zhì)廢棄物的加工和處理。由于傳統(tǒng)加熱的方式為由外到內(nèi)的層狀式加熱,加熱速率較慢,傳統(tǒng)加熱有助于二次裂解,通常會導致酸性化合物增加,酚類化合物也會相應(yīng)減少[76-77]。比如Sembiring等[78]研究了使用流化床反應(yīng)器快速熱解油棕櫚殼,生物油的產(chǎn)量僅為27.0%(質(zhì)量分數(shù)),然而,酚含量較少,僅為8.5%。相比之下,微波加熱具有更高的加熱速率,其獨特的體積式加熱系統(tǒng)可以減少二次加熱的速率,從而提高生物油的質(zhì)量。Salema等[79]研究了在450 W微波功率下熱解油棕櫚殼。結(jié)論表明,在450 ℃的溫度下獲得了21%(質(zhì)量分數(shù))的生物油產(chǎn)率,此時生物油的主要成分為酚類衍生物;通過改變微波功率和其它條件,當溫度達到500 ℃,單體酚類的選擇性達到了42.9%,總酚的選擇性達到了67.5%,生物油的產(chǎn)量也提升到了35.1%(質(zhì)量分數(shù))[79]。因此,微波加熱是一種制備富酚生物油的有利熱解方式[80]。
生物質(zhì)催化熱解制富酚生物油已經(jīng)進行了大量的研究,并取得了一定了效果,但是生物質(zhì)催化熱解過程復雜,會產(chǎn)生多種復雜的中間產(chǎn)生并且這些中間產(chǎn)物可能會發(fā)生聚合等副反應(yīng)。因此,開發(fā)高選擇性的催化劑是生物質(zhì)催化熱解制備富酚生物油技術(shù)的重要問題之一。用于催化熱解的催化劑有堿性催化劑、分子篩、活性炭等。Zhang等研究了磁鐵固體催化劑熱解生物質(zhì)生產(chǎn)富酚生物油[81]。當催化劑與生物質(zhì)的比例達到0.7∶1時,酚類化合物的濃度從28.1%(不加催化劑)增長到68.5%(加催化劑)[81]。Auta等探究了堿性催化劑Ca(OH)2對生物質(zhì)熱解的影響,其酚含量增加了10.7%[82]。Naron等研究12種金屬氧化物催化熱解甘蔗渣制備酚類生物油,結(jié)果表明使用CaO作為催化劑具有最好的酚類產(chǎn)率,高達59.7%[83]。以棕櫚核殼為底物,酚類生物油的產(chǎn)率可以高達83.21%[84]。此外,活性炭催化劑由于其廉價易得備受關(guān)注,不僅可以催化熱解調(diào)控其生物油的組成,還可以充當微波吸收劑的作用提升原料的加熱速率[85]。最近,Lei等報道了活性炭作為催化劑用于生物質(zhì)熱解蒸汽重整升級。他們發(fā)現(xiàn)當活性炭作為催化劑時,在溫和的催化溫度下,它們對苯酚表現(xiàn)出高選擇性[86]。除了純活性炭催化劑,也有一些研究者把鐵改性的生物炭用于制備富酚生物油,其酚含量為45.12%[86]。采用微波輔助熱解方式,有研究人員利用活性炭作為催化劑制備富酚生物油。Mamaeva等利用活性炭作為催化劑,微波熱解花生殼生物質(zhì),產(chǎn)物酚類生物油的產(chǎn)率高達61.19%,微波熱解后,對生物炭進行表征,發(fā)現(xiàn)碳納米管生成在生物炭顆粒上[87]。近期,一種具有微波吸收能力和定向生成酚類物質(zhì)的鐵負載生物炭雙功能催化劑(N-Fe/BC)用于生物質(zhì)微波熱解。N-Fe/BC具有高的比表面積(265.21 m2·g-1)和高的加熱速率(63.78~107.84 ℃·min-1)。N-Fe/BC催化劑含量為20%(質(zhì)量分數(shù)),微波溫度550 ℃達到最高的生物油產(chǎn)率(38.09%)和酚類的選擇性(80.28%),如圖9所示[88]。此外,沸石類催化劑也被用于生物質(zhì)催化裂解富酚生物油。金屬改性沸石類催化劑可以提高酚類化合物的選擇性。Yaman等研究表明,Co、Al、Fe浸漬HZSM-5和SBA沸石催化劑可以促進脫氧反應(yīng)從而增加生物油中酚類物質(zhì)的含量[89]。Ni和Fe改性HZSM-5可以促進纖維素催化熱解為酚類化合物[70],可能是呋喃類化合物在沸石的作用下發(fā)生芳香化反應(yīng)從而生成酚類化合物。
本綜述詳細介紹了農(nóng)林生物質(zhì)各個主要組分的熱解原理和技術(shù)方法,并且對工藝條件以及催化劑對農(nóng)林生物質(zhì)熱解制富酚生物油進行了詳細的總結(jié)。然而農(nóng)林生物質(zhì)原料的復雜性以及生物油組分的復雜性,通過目前熱解技術(shù)方法和常規(guī)的催化劑難以實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。因此,木質(zhì)纖維素生物質(zhì)熱解制酚類生物油的未來研究方向還需要更加注重技術(shù)方法、工藝設(shè)計、熱解產(chǎn)物分析新方法、生物質(zhì)熱解動力學模擬分析、新型催化劑的理論創(chuàng)新,圍繞新的熱解催化反應(yīng)體系,獲得高產(chǎn)率酚類生物油的同時并可以很好的分離目標產(chǎn)物,通過多種工藝優(yōu)化和創(chuàng)新,提高生物質(zhì)熱解的經(jīng)濟價值,為化石能源的替代提供一條新的路徑,為國家“碳達峰、碳中和”戰(zhàn)略提供理論支持。