可持续地将糠醛残渣转化为生物能源：通过生命周期评估支持环境管理

《COMPUTERS and EDUCATION》：Sustainable conversion of furfural residues to bioenergy: supporting environmental management via life cycle assessment

糠醛残渣生物炼制工艺的环境效益比较研究。通过对比直接热解（SC-1）、乙酸/甘油预处理（SC-2）和硫酸/甘油预处理（SC-3）三种工艺，评估100kg FRs转化为乙醇、生物油、生物炭和合成气的环境影响。SC-1在人类健康（减少7.62×10-4 DALYs）和资源节约（26.76美元）方面最优，全球变暖潜能等关键指标降低超100%，生态系统损害SC-3最优。

　　在当前快速发展的世界中，能源生产主要依赖于传统的化石燃料，这些燃料不仅储量有限，而且对环境造成了显著的负面影响。根据2023年全球能源统计数据，全球二氧化碳排放量增加了1.1%，而一次能源消耗量则增长了2%。这种对化石燃料的过度依赖，导致了诸如温室气体排放增加和环境污染等重大环境问题，从而推动了对替代能源的广泛研究与应用。其中，生物燃料因其在减少二氧化碳排放和利用废弃物进行生产方面的潜力，受到了越来越多的关注。生物燃料通常来源于木质纤维素生物质（LCB），被认为是一种可持续、环保且与生物经济框架相兼容的能源选择。

木质纤维素生物质作为第一代生物质的可持续替代品，可以避免与粮食作物争夺可耕地。每年，全球范围内大约产生13亿吨的木质纤维素生物质，但其中仅有3%被用于生物能源和非食品生物产品。根据国际能源署（IEA）的报告，到2050年，可持续生物燃料预计可以提供全球运输燃料的27%。然而，如果生物质被存放在垃圾填埋场，它可能会导致一系列环境问题，如栖息地丧失、病原体繁殖以及由于分解产生的温室气体。因此，减少生物质废弃物在生态系统中的堆积并促进其利用成为解决这些问题的关键。生物精炼厂作为一种可持续的方法，能够通过多种生物质原料和不同的转化技术，生产出多种生物能源产品。随着对循环经济和生物经济的日益重视，生物精炼厂在过去五年中被视为实现可持续未来的重要机制。

呋喃醛（FF）是一种具有重要商业价值和广泛应用的平台化学品。全球每年生产的FF超过30万吨，并且以每年2%的速度增长。FF主要通过酸水解富含戊糖的木质纤维素生物质来源来生产。然而，这种方法需要高温和矿物或异质酸，会产生大量的呋喃醛残渣（FRs）。FRs的主要化学成分包括纤维素（27.0%）、木质素（55.5%）、木聚糖（5.8%）和灰分（7.2%），这对下游处理构成了挑战，并且引发了环境问题。不恰当的处理方法，如焚烧和填埋，不仅占用大量土地，还可能导致空气、土壤和河流的污染。中国是全球最大的呋喃醛生产国，占世界生产能力的约70%。已有研究表明，大多数呋喃醛工厂的转化率仅为50%-60%，因此每生产一吨FF，就会产生12-15吨的FRs，仅在中国，每年就预计会产生约700万吨的FRs。因此，如何合理地管理FRs，并进一步将其转化为高附加值产品，是实现无污染、高效率生产FF的关键。

为了实现FRs的高价值利用，一种可行的方法是将其转化为生物燃料和基于生物的产物，这与全球向可持续能源转型的努力相一致。例如，乙醇作为一种越来越被视为传统汽油替代品的燃料，不仅具有优越的环境效益，还可能减少温室气体排放，同时增加燃料储备。此外，生物油作为一种通过热解产生的液体产品，具有碳中性的特性，使其成为一种有吸引力的化石燃料替代品。与传统化石燃料相比，生物油能显著减少二氧化硫和二氧化氮的排放，并且由于其与现有设备、泵送系统和安全标准的兼容性，具有在储存和运输方面的实际优势。生物炭，作为生物质热解产生的碳含量丰富的产物，以其大表面积、高孔隙率、功能基团和高阳离子交换容量为特点，适用于多种用途。其优势包括易于制备、环保、可重复使用和成本效益高。生物炭因其在去除水和土壤污染物方面的有效性而受到关注，其产量主要由工艺参数决定。

此外，合成气（syngas）作为一种主要由氢气、一氧化碳和二氧化碳组成的燃料混合物，被视为生产不同链长的醇类、碳氢燃料和发电的潜在原料。通过将轻质碳氢化合物与二氧化碳进行重整，可以降低净温室气体排放，从而带来环境效益。利用这些技术，FRs可以被转化为有价值的资源，从而同时应对环境问题和对可持续能源解决方案日益增长的需求。

许多生命周期评估（LCA）研究已经探讨了生物精炼系统在可持续生产生物燃料方面的应用，包括乙醇、生物油、生物炭和合成气。表SI-1总结了不同可再生原料生产乙醇、生物油、生物炭和合成气的环境影响研究。然而，据我们所知，尚未有专门研究通过生物精炼方法评估FRs的环境可持续性，以提供对材料输入、能源消耗和整个生命周期环境影响的清晰和全面的理解。为此，本研究基于实验数据进行了详细的后果性生命周期评估（CLCA），完成了物质流的清单分析，并评估了环境影响，提供了一个全面的比较分析，涵盖了人类健康、生态系统和资源等多个环境影响类别。CLCA能够描述对整个系统进行FRs高值化决策所带来的深远后果。

本研究评估了三种基于FRs的生物精炼场景，旨在生产如乙醇、生物油、生物炭和合成气等高附加值产品。为此，提出了三种不同的转化路径，将100公斤的FRs转化为这些生物燃料。根据我们实验室规模的实验数据，SC-1场景中，原始的FRs被用于生物燃料的生产，显示了在人类健康和资源方面最佳的环境表现，并在这些损害类别中实现了负的净平衡。SC-3场景则在生态系统损害类别中表现最好。SC-1中提出的生物精炼方法，在三分之二的损害类别中实现了最低的净影响，使其成为最环保的解决方案之一。

从结果来看，SC-1在人类健康和资源利用方面表现最佳，能够避免7.62×10^-4 DALYs和26.76 USD2013的资源消耗。在生态系统损害方面，SC-3表现最优，记录了-1.74×10^-6 species·yr的净节省。值得注意的是，SC-1在温室气体潜势、化石资源稀缺性和电离辐射影响方面，相较于SC-2和SC-3实现了超过100%的减少。此外，将SC-2方法扩展至处理100公斤FRs，可减少119.75公斤的二氧化碳当量排放，并带来40.99美元的经济社会效益。因此，基于直接热解的生物精炼方法（SC-1）为管理FRs并有效转化为有价值生物能源提供了一种高度可行的策略。

本研究的结果表明，SC-1不仅在环境影响方面表现出色，还能为实现循环经济和生物经济提供可能。通过对三种不同场景的比较，研究揭示了在不同环境影响类别中，哪种方法更具优势。这种分析有助于政策制定者、工业界和研究机构更好地理解如何优化FRs的处理和利用，以减少环境负担并提高资源效率。此外，研究还强调了在实施这些方法时，需要考虑各种因素，如技术可行性、经济成本、能源效率和环境影响的综合评估。通过这些方法的优化和推广，可以推动可持续能源的发展，并为应对全球能源和环境挑战提供新的思路和解决方案。

在当前全球能源转型的背景下，FRs的高值化利用不仅有助于减少废弃物对环境的影响，还能为生物能源产业提供新的原料来源。这种多途径的利用方式符合循环经济的核心理念，即通过资源的循环利用和废弃物的再利用，实现经济、环境和社会效益的平衡。因此，本研究提出的三种场景，不仅为FRs的处理提供了科学依据，也为生物能源的可持续发展提供了实践指导。通过这些方法的实施，可以有效地减少温室气体排放，降低对化石资源的依赖，并促进绿色经济的发展。

综上所述，本研究通过对FRs的生物精炼方法进行比较性后果评估，明确了SC-1在环境可持续性方面的优越性。SC-1在人类健康和资源利用方面表现出最佳性能，同时在生态系统损害方面也具有显著优势。研究结果为如何合理管理FRs并将其转化为有价值的生物能源提供了重要的参考。随着对可持续能源和循环经济的进一步重视，这些方法的推广和应用将有助于实现更清洁、更高效的能源生产模式，为全球环境和能源问题的解决做出积极贡献。