近日，我院生物质可再生能源研究团队在在化工领域权威期刊《Chemical Engineering Journal》上发表题为“An Understanding for Improved Biomass Pyrolysis: Toward a Systematic Comparison of Different Acid Pretreatments”的研究论文，深入揭示了酸预处理工艺对全组分生物质热解特性的影响机制，并从木质素热解转变的角度探讨了酸预处理生物质颗粒团集结焦的原因，为相关热解工艺的优化改进提供了理论依据。我院2019级研究生周舒雨为第一作者，我院助理教授薛渊和农生学院副教授蔡均猛为通讯作者，该研究获得了机动学院周忠岳副教授的合作支持。

生物质资源的高效利用能够有效缓解由化石能源过度使用带来的污染和气候问题，对促进碳中和目标的实现具有积极的推动作用。快速热解技术作为生物质高值利用的主要技术路径，具有广泛的应用前景。基于酸预处理的生物质快速热解是一种简单有效的工艺路线，能够显著提高生物油的品质和促进目标产物的选择性生成（如左旋葡萄糖等），但由酸预处理带来的生物质颗粒/热解炭团集结焦也对热解反应器的持续稳定运行带来了挑战。尽管目前研究者们通过模型化合物（主要是纤维素和半纤维素）的热解研究初步揭示了酸处理对促进糖类/呋喃类产物选择性生成的影响机理，但对由酸处理引起的团集结焦问题还缺乏合理清晰的解释，尤其是针对木质素组分的复杂热解行为缺乏直接有力的实验观察。

研究工作首先通过快速热解耦合产物在线检测（Py-GC/MS）技术比较了生物质酸洗和酸注入两种预处理方法对玉米秸秆热解产物分布的影响。实验结果表明：酸洗和酸注入能够有效抑制由碱/碱土金属引起的葡萄糖单元开环裂解反应，抑制含氧小分子产物的产生并同时促进脱水糖的生成；过量的酸注入将导致糖类产物的进一步脱水生成呋喃类产物。

通过使用热重/光电离飞行时间质谱仪（TGA-PI/TOF/MS）实现了对木质素热解活性产物生成随温度演变的实时检测，为解释酸处理生物质热解团集结焦原因提供了直接的实验依据。研究表明，团集结焦现象的发生通常伴随着主要木质素衍生单酚，尤其是乙烯基单酚收率的减少。因此，由乙烯基单酚为代表的木质素衍生酚类在酸催化条件下发生的再聚合反应被认为是导致团集结焦现象发生的原因之一。

此外，通过使用分布活化能模型对不同酸处理生物质热重曲线的拟合，从化学动力学层面对酸处理生物质热解行为的改变提供了解释。分析表明：酸预处理过程能降低生物质组分中纤维素和半纤维素的解聚温度和活化能；纤维素和木质素伪组分占比随酸注入浓度的改变表明纤维素与木质素组分发生了二次交联反应，该二次反应也间接导致了糖类/单酚产物收率降低以及团集结焦现象的发生。基于分布活化能模型对生物质热重曲线的拟合也为研究生物质组分间的交互作用提供了新的思路。

本研究的开展进一步完善了全组分生物质热解的反应机理，为酸预处理生物质快速热解生产改性生物油和高值化学品提供了实验支撑和理论依据。该研究得到了上海科委扬帆计划的资助。

作者介绍

周舒雨，上海交通大学中英国际低碳学院研究生。2019年本科毕业于南京理工大学新能源科学与工程专业，同年获保研资格进入上海交通大学中英国际低碳学院攻读硕士学位。研究方向：生物质高值利用、塑料垃圾资源化处理。

薛渊，现任上海交通大学中英国际低碳学院助理教授，于2017年获得美国爱荷华州立大学(Iowa State University)博士学位并留校担任博士后研究员，次年入职上海交通大学。研究领域：生物质燃料及可再生材料、城市固体废弃物资源化及处理、生物质/城市固体废弃物转化过程的污染检测及控制以及异质催化下的快速热解等。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S138589472100111X?dgcid=author