综述：芒草栽培实现高通量二氧化碳封存转化为可持续固体产品：一篇综述

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《Biofuels, Bioproducts and Biorefining》：High-throughput carbon dioxide sequestration into sustainable solid products by miscanthus cultivation: A review

【字体：大中小】 时间：2025年10月22日 来源：Biofuels, Bioproducts and Biorefining 3.2

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　　本综述推荐芒草（Miscanthus）这一高产多年生禾草，作为生产固体碳质产品的原料，其碳封存潜力巨大。文章重点评估了烘焙芒草（固体燃料）、慢速热解生物炭（biochar，用作固体燃料和土壤改良剂）以及H3PO4活化活性炭（AC，作为功能化吸附剂）等最具经济和技术可持续性的产品路径，并分析了其生产成本（如活性炭约2000 € t?1）。未来研究应聚焦于优化栽培、开发高附加值产品（如功能化生物炭、腐殖酸）及改进活化技术，以提升芒草生物精炼厂的经济与环境可持续性。

Abstract

这篇综述评估了芒草（Miscanthus）——一种具有巨大碳封存潜力的高产多年生禾草，作为生产固体碳质产品的原料。研究发现，芒草是一种与木本和草本植物生物量相当的合适原料。从经济和技术的可持续性角度来看，最具前景的产品包括烘焙芒草（用作固体燃料）、慢速热解生物炭（biochar，作为固体燃料和土壤改良剂）以及通过H₃PO₄活化生产的活性炭（AC，作为去除有机和无机污染物的功能化吸附剂）。工业规模的成本估算表明，烘焙芒草的生产成本约为50–70 € t^?1，生物炭约为130–150 € t^?1，活性炭约为2000 € t^?1，这与传统的植物生物质衍生产品相比具有竞争力。未来的研究应侧重于优化芒草栽培以提高产品产量和质量，开发高附加值产品的增值路径（例如功能化生物炭和腐殖酸），以及改进活化技术。对于化学活化，提高磷酸效率并探索替代活化剂至关重要；而物理活化则应致力于生产具有与传统原料相当孔隙率的活性炭。这些进步对于提高基于芒草的生物精炼厂的经济可行性和环境可持续性至关重要。

芒草作为原料的潜力

芒草作为一种C4光合作用植物，以其高生物量产量和强大的环境适应性而闻名，这使其成为二氧化碳生物封存和可持续生物产品生产的理想候选者。其碳封存能力源于快速生长过程中对大气CO₂的高效固定，并将碳存储在庞大的地下根状茎和地上生物质中。作为原料，芒草的生物化学组成（如纤维素、半纤维素和木质素含量）与传统的木本和草本植物生物质（phytomass）相似，确保了其在后续转化工艺中的适用性。

可持续固体产品路径

综述重点分析了三种主要的固体产品路径。首先是热化学转化过程中的烘焙（torrefaction）处理，产物为能量密度更高的固体燃料（torrefied miscanthus），其生产工艺相对简单，成本较低。其次是慢速热解（slow pyrolysis），主要产物生物炭（biochar）不仅可作为清洁固体燃料，其多孔结构和稳定碳形态更使其成为优异的土壤改良剂，有助于改善土壤健康和长期碳封存。第三种是通过化学活化（特别是使用H₃PO₄作为活化剂）生产活性炭（AC），这种功能化吸附剂在环境修复，尤其是去除水体和土壤中的有机和无机污染物方面表现出色。

经济可行性与成本分析

工业规模的成本估算为这些路径的商业化前景提供了量化依据。烘焙芒草的成本最具竞争力（~50–70 € t^?1），使其在固体燃料市场具有吸引力。生物炭的成本（~130–150 € t^?1）虽然较高，但考虑到其作为土壤改良剂带来的附加环境效益，仍具有市场潜力。活性炭的生产成本最高（~2000 € t^?1），但其高性能和特定应用场景（如高级水处理）使其能够与传统原料生产的活性炭竞争。这些成本分析表明，基于芒草的生物精炼模式在经济上是可行的，尤其是在整合多种产品并实现价值最大化的前提下。

未来研究方向与挑战

为了进一步提升芒草基生物精炼厂的经济和环境可持续性，未来的研究需要聚焦于几个关键领域。在原料端，优化芒草栽培策略（如品种选育、种植管理和收获技术）至关重要，旨在提高生物质产量并优化其化学成分，以满足特定终端产品的要求。在产品增值方面，需要探索开发更高价值产品的路径，例如功能化生物炭（通过表面修饰增强其吸附或催化性能）和从芒草中提取腐殖酸等。在活化技术层面，对于化学活化，核心挑战在于提高磷酸（H₃PO₄）的使用效率、探索更环保或更低成本的替代活化剂，并优化活化工艺参数以减少环境影响。对于物理活化，目标则是开发能够生产出具有与煤炭或木材等传统原料所制活性炭相媲美的高比表面积和发达孔隙结构的工艺。这些技术突破将是推动整个价值链发展的关键。

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