木质纤维素生物质衍生液体与气体生物燃料的分离与储存技术进展：提升可持续能源商业可行性的综合评述

本研究针对木质纤维素生物质衍生液体与气体生物燃料在分离纯化和储存过程中面临的高成本、低效率及稳定性差等关键问题，系统综述了蒸馏、膜分离、吸附、超临界流体萃取以及生物基分离策略等先进技术的最新进展。研究揭示了集成膜-蒸馏系统可降低能耗达57%并实现>99.5%纯度，而人工智能优化和混合存储系统显著提升了燃料的安全性与稳定性。该成果为开发高效、可持续的可再生能源系统提供了重要技术参考和理论支撑，对推进生物燃料商业化应用具有里程碑意义。

　　

随着全球能源需求的持续增长和化石燃料带来的环境问题日益严峻，开发可再生且可持续的替代能源已成为当务之急。在众多可再生能源选项中，液体和气体生物燃料因其能够减少对石油资源的依赖并推动循环生物经济发展而展现出巨大潜力。全球生物燃料市场正在迅速扩张，2024年估值约为1439.7亿美元，预计到2035年将达到近2500亿美元。然而，生物燃料的经济可行性和环境可持续性在很大程度上取决于下游操作（特别是分离、纯化和储存）的效率。这些过程不仅决定了最终燃料产品的质量、稳定性和安全性，还在总体成本和生产的可扩展性中扮演着决定性角色。

与传统的石油燃料不同，生物燃料通常在稀水溶液或混合气流中生成，需要高能耗的分离和纯化步骤才能达到燃料级标准。此外，它们的挥发性、吸湿性、微生物敏感性以及化学反应性给长期储存和大规模部署带来了显著挑战。分离和储存过程往往占总生产成本的40–70%，这主要源于生物质水解液的复杂组成、抑制性副产物的存在以及这些过程本身的能源密集型特性。因此，开发先进的分离、纯化和储存技术对于提高可持续生物燃料的质量、产量和可及性至关重要。

为了深入探讨这一领域的最新进展和未来方向，研究人员在《Biomass and Bioenergy》上发表了题为“Recent developments in separation and storage of lignocellulosic biomass-derived liquid and gaseous biofuels: A comprehensive review”的综述文章。该研究系统性地评估了现有的方法学，突出了它们的优势和局限性，并探索了具有增强生物能源部门可持续性、效率和可扩展性潜力的新兴创新。

研究人员通过文献综述和数据分析方法，系统梳理了近年来在生物燃料分离与储存领域的技术进展。重点采用了比较分析法评估不同分离技术（如膜分离、吸附、蒸馏等）的效能，并整合生命周期评估（LCA）和技术经济分析（TEA）来考察其可持续性和经济可行性。同时，利用人工智能（AI）和机器学习模型优化工艺流程，并通过案例研究验证了混合系统（如膜-蒸馏集成）的实际应用效果。

在液体生物燃料的分离与纯化方面，研究聚焦于生物乙醇、生物原油、生物柴油和生物丁醇。对于生物乙醇，先进的脱水方法如吸附蒸馏、共沸蒸馏和膜蒸馏被证明能够有效分离乙醇-水混合物。特别地，集成蒸馏和膜系统能够将总能耗降低57%，同时实现99.5%的纯度。分子筛（如3?筛）利用水分子（2.7?）和乙醇分子（4.4?）的尺寸差异实现高效分离。此外，添加夹带剂（如苯、环己烷）的共沸蒸馏以及使用生石灰的化学脱水也是常用的工业方法。

生物原油作为通过热解或水热液化产生的合成液体燃料，其纯化技术包括液液萃取（LLE）、超临界流体萃取（SFE）和电吸附等。水萃取、有机溶剂萃取和超临界CO₂萃取被用于分离水溶性和非水溶性组分。例如，超临界CO₂在300 bar和60°C条件下使用SiO₂载体可获得13–14 wt%的提取率。电吸附（电容去离子化，CDI）能有效从生物油中去除酸性化合物，化学需氧量（COD）去除率可达49.2–61.5%。柱色谱技术则用于分离固体沉淀物，如从稻壳衍生油中分离邻苯二甲酸酯。

生物柴油的生产主要通过酯交换反应实现，其纯化涉及离心、膜分离以及干湿洗涤。离心在18,000 rpm和55°C下可实现94.52%的分离效率。膜分离中，10 kDa超滤膜能将甘油含量降低至国际标准0.02 wt%以下。湿洗涤使用酸化水（如硫酸、盐酸）在60°C下以1:5（v/v）比例有效去除催化剂和皂化物。干洗涤则采用天然吸附剂（如香蕉皮、蘑菇）或有机吸附剂（如Tulsion T-45BD），证明天然材料具有与有机吸附剂相当的纯化潜力。使用2%水合硅酸镁作为清洁剂可在55°C下20分钟内将生物柴油产率从85%提高至95.50%。

生物丁醇作为生物乙醇的优越替代品，具有更高的热值（29.2 MJ/m³）和更接近化石燃料的性能。其分离技术包括蒸馏、吸附、液液萃取和渗透蒸发。蒸馏因丁醇/水的高沸点而成本较高。吸附使用疏水吸附剂（如Amberlite XAD-7），在固定床设置中对丁醇表现出高选择性，吸附容量为102.1 g/kg，丁醇回收率超过97%。液液萃取使用生物柴油作为萃取剂，在发酵液中可将丁醇浓度从9.85 g/L提高至31.44 g/L。渗透蒸发采用63% n-丙基三甲氧基硅烷改性的silicate-1/PDMS膜，实现了72.9的分离因子和1156 g/m²·h的通量，但膜成本、污染和气体积累仍是主要挑战。

在气体生物燃料的分离与纯化方面，研究涵盖了沼气、合成气和生物氢气。沼气升级技术包括压力摆动吸附（PSA）、膜分离和低温分离。膜分离使用聚砜和聚酰亚胺纤维膜，平行膜模块配置能有效去除CO₂，使甲烷纯度≥95 vol%。低温分离利用CO₂（-78.5°C）和CH₄（-161.5°C）的冷凝点差异，生产液化甲烷（Bio-LNG），适用于高容量应用。合成气纯化主要通过PSA和低温蒸馏实现，多层床PSA过程使用分层活性炭和沸石5A，在1至8 atm压力循环中可从合成气中获得99.999%纯度的氢气，回收率为66%。生物氢气的纯化技术包括PSA、膜分离、低温分离以及电化学分离（ECS）和钯膜分离。ECS使用反向模式质子交换膜（PEM）电解槽，通过电势纯化氢气并发电。钯膜仅允许氢气扩散，可实现99.99%的纯度，但成本较高。金属氢化物（如AB5型合金）用于分离H₂/CO₂混合物，在81 st.L/h下实现94%的氢气回收率。

研究还对比了传统与先进生物燃料分离纯化技术。传统方法（如蒸馏、倾析）虽简单但能耗高、选择性低。先进技术（如膜过滤、渗透蒸发、超临界流体萃取）则提供更高选择性、更低能耗和更好的连续过程适应性。例如，混合提取-蒸馏系统通过计算机辅助分子设计和非线性优化，降低了年度成本。模拟移动床色谱能够从发酵液或生物质水解液中高效分离目标化合物，减少下游处理成本并提高生物燃料产率和纯度。

在先进与新兴技术部分，膜基技术、混合分离系统、超临界流体萃取、生物基分离策略以及电化学生物分离展示了显著进展。混合基质膜（MMMs）结合了无机填料（如石墨烯氧化物、金属有机框架，MOFs）和聚合物基质，提高了生物气精炼的选择性和渗透性。混合系统（如膜-低温组合）能够在-30°C下操作中空纤维配置，低温单元在-50°C下同时获得高纯度CH₄和食品级CO₂，能耗较低。超临界CO₂萃取在120°C和不同压力下对松木水热液化生物原油进行提取，提取率达34–49%。生物基分离策略利用光合微生物（如微藻）和氢营养产甲烷菌升级沼气。微藻-细菌 consortium在封闭管式光生物反应器中可实现97%的CH₄浓度和96%的CO₂去除率。氢营养产甲烷菌通过添加H₂将CO₂转化为CH₄， ex-situ生物滴滤器反应器在10.8 L H₂ L Rv^?1 d^?1的H₂负载率下实现99%的H₂转化效率。电化学生物分离在生物电化学系统（BES）反应器中进行，利用微生物从生物阴极接收电子，将CO₂转化为CH₄，纯培养Methanococcus maripaludis可实现98.4%的CH₄富集。

生物燃料的储存部分详细讨论了液体和气体生物燃料的存储方案。液体生物燃料如生物乙醇需存储在密封的不锈钢或铝罐中，以防腐蚀、微生物生长和吸水。生物柴油建议使用聚乙烯或不锈钢罐，在阴凉避光条件下存储不超过六个月，并添加抗氧化剂（如TBHQ）以提高氧化稳定性。生物油（热解/水热液化）需在低温（<4°C）、惰性气体覆盖下存储，并添加稳定剂（如甲醇）以减少降解。气体生物燃料如沼气存储在低压柔性膜消化器或气球型存储中，升级后的生物甲烷以压缩生物甲烷气（CBG，200–250 bar）或液化生物甲烷（LBM，-162°C）形式存储。吸附剂材料（如活性碳、MOFs）可用于低压储存。合成气因其毒性和易燃性，需在加压碳钢容器中临时存储。氢气可以压缩氢气（CHG，350–700 bar）、液化氢气（LH₂，-253°C）或固态形式（如金属氢化物、MOFs）存储。

研究结论部分强调，生物燃料的分离与储存技术通过改进材料兼容性、水分管理、抗氧化稳定化和温度调节等方面取得了显著进展。聚合物复合材料和先进耐腐蚀金属减少了降解率，提高了储存安全性。对于气体生物燃料，低温系统、金属氢化物和MOFs提高了能量密度和长期稳定性，高压复合气瓶解决了泄漏和脆化问题。过程强化（PI）通过反应蒸馏、膜反应器和替代能源（如超声波）提高了效率并减少了设备占地面积。人工智能和数字驱动技术（如机器学习、物联网）通过优化分离过程、预测维护和增强控制，进一步提高了经济可行性和可持续性。生命周期评估（LCA）和技术经济分析（TEA）显示，集成生物精炼系统在温室气体足迹和成本效益方面优于传统方法。总体而言，通过结合先进材料、稳定化技术和系统设计，木质纤维素生物质燃料的分离与储存正变得更加高效、安全和可靠，为迈向生物基能源经济奠定了坚实基础。