江苏大学徐志祥副教授团队ACS Sustain. Chem. Eng.：木质纤维素经低温水热碳化制备深度碳化的人造煤

背景介绍

木质纤维素由于其来源广泛且获取容易，是化石能源的潜在替代能源之一，但由于其能量密度低，限制了其在燃料方面的应用。传统的人造煤制备工艺所需条件苛刻（408atm、125^oC、75天），导致成本较高，不适应于大规模利用。

针对以上问题，江苏大学能源与动力工程学院徐志祥副教授团队提出了木质纤维素通过低温水热碳化制备人造煤的新方法。该方法提供了一种耗能更低，时间更短的方法，通过添加氧化剂增强水解来破坏聚合物结构，从而提高木质纤维素水热炭的煤化程度。该方法为广泛的有机废弃物处理提供了高效资源化利用的手段，同时为减少二氧化碳排放铺平了道路。

图文解读

本研究提出在水热碳化反应中，以Mg(NO₃)₂（MN）为氧化剂，在短时间内通过强化水热碳化过程获得深度碳化产品——人造煤的新方法。在水热反应过程自生压条件下，木质纤维素脱羧反应得到有效增强，使木质纤维素颗粒形成中空、规则且光滑的球形颗粒并减少其聚集。水热碳化过程中的氧化作用可以有效破坏有机物结构，形成低分子量化合物，对于提高原料煤化程度具有关键作用。

图1. 不同条件下水热炭的SEM图。

(A)纤维素水热炭粒度；(B)木质素水热炭的粒度；(C)蛋清粉水热炭的粒度；(D)松木粉水热炭的粒度。

在木质纤维素水热碳化过程中添加MN，能够促进聚集的颗粒分散和光滑颗粒表面。MN能够促进生物大分子表面-OH和-COOH进行脱水和脱羧反应。在此条件下延长反应时间，形成的颗粒为不规则球形且聚集现象增多。增加反应过程中压力，生物质水解反应得到增强，由于水解过程中形成低聚物含有亲油和亲水基团，导致其表面张力会随着分子量的增加逐步降低。颗粒在表面张力和内部压力的共同作用下会形成空心球形水热炭颗粒，同时颗粒表面发生脱水、脱甲基和脱羧反应，从而形成光滑的表面。

图2.水热炭的XRD结果。

(A)纤维素水热炭；(B)木质素水热炭；(C)蛋清粉水热炭；(D)松木粉水热炭。

纤维素，木质素，蛋清粉和松木粉通过水热碳化得到的水热炭在XRD测试结果都表明在MN的加入或延长反应时间的条件下，碳的衍射峰均宽于水热碳化时间短且无氧化剂添加条件下得到的水热炭，这说明MN能够促进有机物碳化，缩短反应时间。添加MN所得到的水热炭的XRD测试结果中出现了一系列MgCO₃的特征峰，这一现象充分说明MN在反应过程中能够促进有机物进行脱羧反应。反应结束后形成的MgCO₃吸附于水热炭表面。

图3.通过XPS分析水热炭得到的官能团百分比

对有机物水热碳化后得到的水热炭进行XPS分析，总结了不同水热碳化条件下得到的水热炭的不同官能团的比例(图3)。添加MN的水热炭的C-C/H含量明显降低，表明氧化剂的加入可以促进脱水反应，进而提高煤化程度。以木质素为原料得到的水热炭中有明显的C-N键，且添加MN后有明显的上升趋势，推测NO₃^-在水热过程中能够破坏芳香环，且其中的氮元素被固定于水热炭中。

图4.中国人造煤生产潜力。

根据本研究提出的方案，农林废弃物制备人造煤具有广阔前景。2021年我国农业秸秆年产量约为7.4亿吨，林业废弃物年产量为2亿吨。若将其全部转化为人造煤，将大大减少化石能源的消耗，对于实现“双碳”目标具有重大意义。

总结与展望

本试验提出了一种利用木质纤维素通过水热碳化技术制备人造煤的新方法。本方法可提高木质纤维素能量密度，扩大其应用范围。本项工作对于有机废弃物资源化应用进行了创新且有效的尝试，为将来可再生能源替代化石能源作出了成功的尝试，同时也在目前节能减排的背景下表明了水热碳化技术的潜力。

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.1c08338

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