超临界CO2萃取处理多年生工业作物生物质可显著降低颗粒燃料储存过程中的有害气体排放

本研究针对生物质颗粒燃料储存过程中释放CO、CO2和VOC等有害气体的问题，通过超临界CO2萃取(SFE)预处理五种多年生工业作物(PIC)的木质/草本生物质，系统评估了42天储存期内气体排放规律。研究发现SFE处理使CO、CO2和VOC排放因子分别降低30%、33%和69%，其中向日葵(HS)生物质颗粒的减排效果最显著(56-87%)。该研究为生物燃料安全储存提供了创新解决方案，对推动生物经济时代可再生能源发展具有重要意义。

　　

在能源转型与碳中和背景下，生物质能源作为重要的可再生能源(RES)正迎来快速发展。然而鲜为人知的是，看似环保的生物质颗粒燃料在储存过程中会持续释放有毒气体——当这些颗粒被堆积在仓库、船舱或家庭地下室时，密闭空间内可能积聚致命浓度的CO（一氧化碳）和消耗氧气。已有记录显示，全球发生过十余起因储存木屑颗粒导致CO中毒死亡的案例。更令人担忧的是，随着多年生工业作物(PIC)生物质在能源领域的应用扩大，人们对这类新型生物燃料的"排气"(off-gassing)特性却知之甚少。

针对这一重大安全隐患，中国某研究机构的研究团队在《Industrial Crops and Products》发表了一项创新研究。他们首次系统评估了五种PIC（包括柳树、杨树、芒草和向日葵等）的木质/草本生物质颗粒在储存过程中的气体排放规律，并创新性地采用超临界流体萃取(SFE)技术预处理生物质，成功将有害气体排放降低30-87%。这项研究不仅填补了非林木生物质燃料安全性的研究空白，更为生物燃料产业链提供了切实可行的安全解决方案。

研究人员采用多学科交叉方法开展实验：首先通过超临界CO₂萃取(40°C, 33 MPa)获得生物活性物质；随后将提取前后的生物质制成标准化颗粒；采用封闭瓶法模拟42天储存环境，使用MultiRAE IR气体分析仪动态监测CO、CO₂、VOC和O₂浓度；结合脂溶性提取物含量测定和UV-Vis光谱分析揭示气体排放的化学机制。

3.1 储存颗粒顶部空间气体浓度
研究发现所有颗粒在储存期间均持续释放CO、CO₂和VOC，同时消耗O₂。草本生物质颗粒（特别是向日葵HS）排放最为严重，HS-ne（未提取）颗粒在第42天达到峰值：CO 3600 ppm、CO₂ 23,500 ppm、VOC 250 ppm。SFE预处理使HS颗粒的CO排放降低40.8%，CO₂降低50%，VOC降低86%。

3.2 排放因子(EFs)
HS-ne颗粒展现出最高排放因子：CO 172 μg kg^-1 day^-1、CO₂ 1791 μg kg^-1 day^-1、VOC 23 μg kg^-1 day^-1。SFE处理使所有颗粒的EFs平均降低：CO 30%、CO₂ 33%、VOC 69%，其中杨树(PNM)颗粒的CO排放最低（31 μg kg^-1 day^-1）。

3.3 脂溶性提取物与UV-Vis光谱
草本生物质含4.1%脂溶性提取物（木质生物质仅0.7%），SFE处理使提取物含量降低43%。UV-Vis光谱显示，草本生物质提取物在410 nm和665 nm有特征吸收峰（对应脱镁叶绿素），其吸光度与CO/CO₂排放呈显著正相关（r=0.87-0.95）。

这项研究揭示了生物质颗粒排气作用的两大机制：一是脂溶性物质（尤其不饱和脂肪酸）的自氧化引发自由基链式反应；二是半纤维素在羟基自由基作用下分解产气。超临界CO₂萃取通过预先移除这些活性成分，从根本上减少了后续储存中的氧化反应。

该研究的现实意义尤为突出：首先证实草本生物质（特别是向日葵）颗粒的排气风险显著高于木质颗粒，不建议用于家庭供暖；其次建立了SFE预处理这一有效减排技术，为生物燃料安全生产提供了新思路；更重要的是，研究提出的"生物质梯级利用"模式——先提取高值化合物再用于能源生产，完美契合循环生物经济理念。未来研究可进一步优化提取工艺参数，评估不同储存条件（温湿度、通风等）对排气的影响，以推动生物质能源的安全应用。