微波催化共热解甘蔗渣与禽粪厌氧消化残渣协同制备富烃生物油研究

本研究针对生物质废弃物资源化利用难题，通过微波共热解甘蔗渣(SB)与禽粪厌氧消化残渣(PD)，开发了"以废治废"新策略。采用HZSM-5等催化剂优化工艺，使生物油烃类含量提升至41%，热值达22.6 MJ/kg，为生物燃料生产提供了高效技术路径。

　　

随着全球能源需求激增和环境问题加剧，生物质能作为碳中性能源备受关注。然而传统生物油存在含氧量高（45-70%）、热值低（10-20 MJ/kg）等缺陷，严重制约其燃料化应用。甘蔗渣（SB）作为糖业副产物年产量巨大但利用率低，禽粪厌氧消化残渣（PD）则因高氮高灰特性面临处置难题。如何通过创新技术实现这两种废弃物的协同转化，成为生物能源领域的重要课题。

华中科技大学能源与动力工程学院的研究团队在《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》发表研究，开创性地采用微波催化共热解技术处理SB与PD混合物。通过系统考察不同配比和催化剂（包括生物炭、Fe负载生物炭、HZSM-5分子筛、酸处理HZSM-5及CaO）的影响，发现50:50配比（S50P50）在酸处理HZSM-5催化下，生物油烃类含量可达41%，较单一原料提升显著。

研究采用微波反应器（功率800W）进行热解，通过GC-MS分析产物组成，BET测定催化剂比表面积，FTIR表征官能团变化。实验设计涵盖单原料对照、不同混合比例（100:0至0:100）及五种催化剂体系，所有原料均预处理至粒径1-2mm、含水率<5wt%。

【产品分布】章节显示，PD单独热解时因高木质素含量产生更多生物炭（38.5%），而SB则倾向生成生物油（32.1%）。共热解展现出显著协同效应，S50P50组合使生物油收率较单原料提高10-22%，水分含量降低至14.3%。

【催化剂影响】部分揭示酸处理HZSM-5的优越性：其经0.3M盐酸改性后，比表面积增至365m²/g，强酸位点增加，促使脱氧反应效率提升。该催化剂作用下，生物油中单环芳烃占比达28.4%，而CaO催化剂则主要促进酯类转化（21.7%）。

【反应机理】分析指出，PD中的氮元素与SB衍生羧基发生胺化反应，减少含氧化合物生成。Fe/生物炭催化剂通过促进自由基重组，使长链烃裂解为C₈-C₁₆燃料组分。微波特有的体相加热特性则确保热解均匀性，较传统加热缩短30%反应时间。

结论部分强调，该研究首次实现SB与PD的微波协同转化，建立的S50P50-酸处理HZSM-5体系具有三大创新点：（1）突破原料预处理限制，直接处理未干燥废弃物；（2）酸处理催化剂使烃产率较常规HZSM-5提升23%；（3）能量平衡分析显示工艺净产能达4.8MJ/kg。这项工作为农业-畜牧废弃物的集成处理提供了范式，同时响应联合国SDG7（清洁能源）和SDG12（负责任消费）目标。研究团队特别指出，PD中保留的厌氧微生物残体可能参与催化反应，这一现象值得后续深入探讨。