纸浆造纸厂污泥热解：工艺条件与长石催化对产物形成及生物炭碳稳定性的机制影响

这篇研究深入探讨了纸浆造纸厂污泥（PPMS）热解过程中温度（400-800°C）、原料含水量（0/30 wt%）及长石（feldspar）催化对产物分布（生物炭/biochar、生物原油/biocrude、合成气/syngas）和碳稳定性的影响。研究发现湿污泥更易生成高稳定性生物炭（半衰期达百万年级），而Na-长石通过路易斯酸位点显著提升生物原油产率并促进CO2甲烷化与水煤气变换反应（WGS），为碳捕集（CDR）与资源化提供优化策略。

　　

亮点

本研究揭示了纸浆造纸厂污泥（PPMS）热解中温度、湿度与长石催化的协同机制：湿污泥（30 wt%含水量）在低温下生成高稳定性生物炭（具惰质体/inertinitic结构），而Na-长石催化显著提升生物原油产率并驱动CO₂→CH₄转化，为工业级碳移除（CDR）与能源联产提供新见解。

材料与方法

PPMS原料取自印尼廖内省，采用K/Na-长石（feldspar）进行异位催化（ex-situ）。通过N₂-BET吸附（77 K）表征生物炭孔隙结构，结合固态¹³C-NMR解析碳形态。

结果与讨论

1. 1.

   产物分布机制：低温（400°C）优先生成生物炭（干料产率48.9 wt%），中温促进生物原油，高温（800°C）转向合成气（H₂/CH₄富集）。

2. 2.

   催化效应：Na-长石的路易斯酸位点激活二聚/端聚反应（dimerization/telomerization），使湿污泥生物原油产率提升37%。

3. 3.

   氮迁移：低温时氮固定在生物炭中，高温（>600°C）转化为液相胺类/吡咯（amines/pyrroles）。

4. 4.

   碳稳定性：高温生物炭呈现类石墨结构（H/C_atomic<0.3），氧化半衰期达500万年，满足地质封存要求。

结论

PPMS热解通过调控“温度-湿度-催化”三联参数，可实现碳封存（生物炭）与能源回收（生物原油/合成气）的双重目标，为造纸业脱碳提供闭环解决方案。