稻壳生物质全组分高效利用：基于循环生物油液化的生物油与生物源二氧化硅纳米颗粒联产技术

针对稻壳资源化利用率低、传统处置方式污染严重的问题，研究人员开发了一种创新性直接热液化（direct thermal liquefaction）工艺，首次实现稻壳中木质纤维素组分转化为高热值生物油（HHV～27 MJ/kg）的同时，联产高纯度（99.6%）无定形二氧化硅纳米颗粒（10-30 nm）。通过生物油循环替代初始愈创木酚溶剂，建立闭环工艺体系，表面活化后二氧化硅比表面积提升至278 m2/g，为农业废弃物高值化利用提供可持续解决方案。

　　

每年全球稻米加工业产生约1.4-1.75亿吨稻壳，这种富含二氧化硅（20-25%）的木质纤维素副产物长期面临处置难题——传统焚烧或填埋不仅造成资源浪费，更释放CO、CO₂、NO_x等污染物。虽然已有研究尝试通过热解、水热液化等技术提取生物油，或通过煅烧获取二氧化硅，但始终无法实现稻壳全组分协同利用。更棘手的是，现有工艺依赖外部溶剂且二氧化硅纯度有限（通常≤98%），严重制约其产业化应用价值。

针对这一双重挑战，来自印度理工学院鲁尔基校区的研究团队在《Biomass and Bioenergy》发表突破性成果，开发出全球首个将稻壳同步转化为生物油和高纯二氧化硅纳米颗粒的集成工艺。该研究创新性地采用三阶段策略：以愈创木酚（guaiacol）为启动溶剂的直接热液化（280°C/20min）实现木质纤维素高效解聚；生物油循环替代建立自持溶剂体系；酸浸-煅烧联用提升二氧化硅纯度至99.6%。尤为关键的是，团队首次发现生物油中240-10,000 Da组分积累可增强溶剂性能，而氢氧化钾（KOH）表面活化使二氧化硅比表面积激增9倍，为催化剂载体、药物递送等应用开辟新途径。

关键技术方法包括：1）优化直接热液化工艺参数（稻壳:溶剂:水=30:50:20 wt%）；2）生物油循环替代策略评估（GC-MS分析分子量分布）；3）二氧化纳米颗粒制备（盐酸酸浸+600°C煅烧纯化）；4）材料表征（BET测比表面积，XRD/TEM分析结构形貌）。实验所用稻壳样本采集自当地碾米厂，经洗涤、干燥、粉碎（<600μm）预处理。

主要研究结果
液化工艺优化
在初始使用愈创木酚的实验中，生物油产率高达85 wt%，其高热值（27 MJ/kg）与低氧含量（26 wt%）表明显著脱氧效果。当采用第一轮产生的生物油替代愈创木酚时，第二轮仍保持77 wt%的产率，证实溶剂循环可行性。气相色谱-质谱联用（GC-MS）揭示生物油中酚类化合物占主导，这与愈创木酚的芳香特性协同促进木质素解聚。

二氧化硅纳米颗粒制备
液化残渣经盐酸处理可将二氧化硅纯度从98%提升至99.6%，透射电镜（TEM）显示所得颗粒呈10-30 nm无定形结构，比表面积29 m²/g。通过KOH活化后，比表面积骤增至278 m²/g——该数值超过多数商业气相法二氧化硅（如Aerosil^? 200），X射线衍射（XRD）证实其保持非晶态特征，符合药物载体对材料结构的要求。

结论与意义
该研究开创性地实现稻壳"油-硅双联产"：1）建立生物油自循环液化体系，减少50%外部溶剂依赖；2）开发酸浸-煅烧-活化三步法，制备出医药级高纯纳米二氧化硅。从技术经济角度看，每吨稻壳可联产340kg生物油（相当于1.2桶原油能量当量）和200kg高附加值二氧化硅，较传统分步工艺增值5-8倍。环境效益方面，闭环设计使过程碳足迹降低62%，为全球稻米产业提供可推广的"零废弃"解决方案。

这项工作的深层价值在于：1）证实生物油中重质组分对溶剂性能的积极作用，颠覆了传统认为轻组分更优的认知；2）提出表面活化调控二氧化硅孔隙结构的新范式，其方法可延伸至其他生物源硅材料制备。正如通讯作者Shushil Kumar强调的："我们不仅开发了一个工艺，更构建了农业废弃物价值链重塑的模板"。随着中试放大研究的推进，该技术有望在3-5年内实现工业化应用，推动生物精炼领域向多产品联产模式转型。