铜改性Y型分子筛(Cu-Y)吸附剂在生物质微波热解过程中同步脱硫与生物炭品质提升的协同机制研究

针对生物质热解过程中释放的含硫气体(如COS、H2S等)污染问题，上海大学团队创新性地将Cu-Y吸附剂与微波热解技术耦合，系统研究了Cu负载量(5-20 wt%)和温度(250-350°C)对生物炭脱硫效率(达83.7%)及吸附容量(9.88 mg S/g)的影响，揭示了π-络合(π-complexation)与S-Cu键协同作用机制，为清洁生物能源转化提供了双功能解决方案。

　　

随着化石能源消耗占比高达81.3%及其引发的环境问题，生物质能源的开发成为研究热点。然而生物质热解过程中约65%的硫会转化为SO_x等有害气体，不仅造成设备腐蚀，更带来严峻的环境挑战。传统脱硫技术如生物脱硫、氧化脱硫等难以直接应用于生物炭燃料，而吸附脱硫技术因其低能耗优势展现出独特潜力。上海大学的研究团队创新性地将微波热解技术与铜改性Y型分子筛(Cu-Y)吸附剂相结合，在《Separation and Purification Technology》发表了这项突破性研究。

研究采用离子交换法制备不同Cu负载量(5-20 wt%)的Cu-Y吸附剂，与油菜秸秆共热解。通过SEM、BET、XPS等技术表征材料特性，结合微波热解系统(转化效率85%)，系统探究了温度(250-350°C)和Cu负载量对硫吸附性能的影响。

材料表征揭示结构-性能关系
SEM显示15 wt% Cu-Y吸附剂具有最佳分散性，Cu纳米颗粒尺寸为130-300 nm。BET分析表明过量Cu负载(>15 wt%)会使比表面积从672 m²/g降至503 m²/g，中孔体积减少42%，导致活性位点被掩盖。XPS证实Cu⁺/Cu²⁺氧化还原对的存在，通过π-络合(键能21.4 kJ/mol)和S-Cu键协同作用捕获硫化物。

工艺参数优化
在300°C时15 wt% Cu-Y吸附剂达到最佳性能，硫吸附容量为9.88 mg S/g，生物炭脱硫效率83.7%。高温(350°C)会导致吸附剂结构坍塌，而低温(250°C)无法充分裂解有机硫。微波特有的介电加热机制使活化能比常规热解降低40-150 kJ mol^?1，更高效去除噻吩(67%)等杂原子化合物。

硫分布与吸附机制
研究明确了7种含硫气体(DMDS、DMS、COS、CS₂、噻吩、甲硫醇、H₂S)的吸附路径：小分子硫(H₂S、CH₃SH)主要通过化学吸附，而大分子(噻吩)依赖π-络合作用。Cu-Y的微孔结构(0.74 nm)与硫分子动力学直径(0.36-0.5 nm)的高度匹配是其高效吸附的关键。

该研究不仅证实Cu-Y吸附剂兼具催化裂解和吸附捕获的双重功能，更开创了"吸附-微波热解"协同新工艺。相比传统方法，该技术使生物炭芳香度提升28%，碳收率增加15%，为生物质能源的绿色转化提供了可工业化应用的解决方案。未来研究可进一步优化吸附剂再生性能，推动该技术向大型化装置发展。