综述：松树废弃物价值化的技术挑战、研究进展与未来前景

本综述系统探讨了松树废弃物（尤其是松针）作为丰富林业废弃物的价值化策略，重点聚焦于将其转化为生物燃料（如生物油、生物甲烷、生物乙醇和生物氢）及生物化学品（如多酚和精油）的技术路径。文章详细分析了热解（Pyrolysis）、水热液化（HTL）、厌氧消化（AD）和气化（Gasification）等关键技术面临的组成性障碍（如木质素顽固结构）和工艺挑战（如催化剂效率、产物纯度），并评述了微波辅助、催化升级和共消化等先进技术如何提升产物产率与质量。最终强调了松树废弃物资源化对促进循环经济（CE）、减少温室气体（GHG）排放和实现环境可持续性的重要意义。

　　

松树废弃物，尤其是松针，是全球范围内广泛存在的林业残留物，但它们不仅导致森林生态系统破坏，还是有害温室气体排放、空气污染和气候变化的主要贡献者。在循环经济框架下，将松树废弃物转化为生物燃料和生物化学品已成为有效的废弃物管理策略。然而，要实现工业规模应用，仍面临组成性障碍和技术挑战。

松树废弃物的特性、来源及其环境影响

松树废弃物主要包括松木、松针和松果，其化学组成以纤维素（30–40%）、半纤维素（15–40%）和木质素（20–40%）为主，并含有少量提取物和灰分。这些废弃物具有高度易燃性，尤其在夏季易引发森林火灾，导致生态破坏和温室气体排放。例如，在印度喜马拉雅地区，松针的积累曾引发大规模火灾，威胁当地社区和生物多样性。此外，松针的酸性特性会降低土壤质量，抑制其他物种生长。因此，有效利用这些残留物生产高附加值产品和清洁能源，是解决这些环境问题的关键途径。

技术应用、挑战与研究进展

生物燃料生产

生物燃料生产是松树废弃物价值化的核心方向，涵盖生物油、生物甲烷、生物乙醇和生物氢的生成。

生物油生产

生物油主要通过热解和水热液化（HTL）技术生产。热解在缺氧条件下进行，温度范围300–800°C，最佳生物油产率在500–550°C时达到。然而，生物油存在高氧含量、腐蚀性和低热值等问题。催化热解使用沸石（如HZSM-5）、无机盐（如K⁺、Ca²⁺）和金属氧化物（如CaO）等催化剂，可提升油品质量，但会降低产率。微波辅助热解能提高能效和产率，例如松木屑在800W微波功率下生物油产率达24wt%。

水热液化在较低温度（523–647K）和高压（4–22MPa）下进行，使用水或有机溶剂（如乙醇），能生产低氧含量生物油。催化剂如KOH和红泥可进一步提高产率和热值，例如松木在300°C下使用红泥催化剂，生物油产率达49wt%，高热值（HHV）为30.81MJ/kg。

生物甲烷生产

厌氧消化（AD）是生产生物甲烷的关键技术，但松树废弃物的顽固结构和低碳氮比（C/N）限制了微生物降解。预处理方法（如化学、生物和物理处理）和共消化策略（与富氮底物如牛粪或污水污泥混合）能显著提高沼气产率。例如，NaOH预处理松木可将甲烷产率提高181.2%，而松针与污水污泥共消化使甲烷产率增加40.93%。

生物乙醇生产

生物乙醇生产涉及糖化（水解）和发酵步骤。松树废弃物的高木质素含量要求高效预处理（如酸、碱或微波辅助）以释放糖分。酶水解使用纤维素酶、木聚糖酶和漆酶，发酵常用酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）。微波辅助碱预处理能提高木质素降解率（72.58wt%），并减少抑制剂形成。实验室合成酶（如突变木聚糖酶）可提升糖产率至26.8mg/ml，最终乙醇产率达5.34g/l。

生物氢生产

气化和快速热解是生产生物氢的主要技术。气化在600–1300°C下使用蒸汽或空气作为气化剂，产生富含H₂的合成气。催化剂如CaO和Ni基复合材料能提高H₂产率并减少CO₂和焦油形成。例如，松针蒸汽气化使用CaO吸附剂，H₂产率从37.02vol%提升至68.36vol%。共气化与煤或聚乙烯等底物结合，可进一步优化产率和过程效率。

生物化学品生产

松树废弃物是多酚、精油等生物化学品的丰富来源，具有抗氧化、抗菌和抗炎特性。提取技术包括溶剂提取、微波辅助提取（MAE）、超声波辅助提取（UAE）、超临界流体提取（SFE）和欧姆加热（OH）。传统溶剂提取使用乙醇、甲醇等，但存在溶剂消耗大、时间长等缺点。先进技术如MAE和SFE能提高提取效率和质量。例如，松树皮MAE提取单宁，产率高且时间短（3分钟）。SFE使用超临界CO₂和乙醇混合溶剂，可高效提取极性化合物如多酚。

最新技术评估

近期技术应用包括松针压块制备烹饪燃料、生物质化学循环气化（BCLG）生产合成气、以及集成加氢热解加氢转化（IH²）技术直接生产烃类燃料。例如，印度CSIR-IIP与UCOST合作项目利用松针生产 briquettes，替代煤炭并减少家庭污染。IH²技术使用催化加氢热解，在350–480°C和20–40bar氢气压力下生产高质量汽油和柴油，氧含量低于1%。

挑战与未来展望

松树废弃物价值化仍面临诸多挑战：生物油的高氧含量、生物甲烷的低产率、生物乙醇的抑制剂形成、以及生物化学品的提取效率。未来研究应聚焦高效预处理技术、催化剂开发、过程优化和规模化应用。此外，需要改善废弃物的收集、储存和运输经济性，以推动工业级应用。

结论

松树废弃物作为可再生资源，通过生物精炼生产生物燃料和生物化学品，具有显著环境和经济潜力。技术进步如催化升级、微波辅助和共消化策略，已提升产物产率和质量。然而，要实现全面商业化，仍需解决组成性和技术性障碍，并推动政策支持与技术创新。