椰壳生物炭净化菠萝残渣暗发酵沼气制氢：能量回收与可持续性评估

《ACS Agricultural Science & Technology》：Experimental Hydrogen Purification from Biogas of Pineapple Residues Using Coconut Husk Biochar: Energy Recovery and Sustainability Assessment

　　

农业工业残渣（如菠萝废弃物与椰壳）通过厌氧消化（AD）进行暗发酵产沼及废弃物资源化具有显著潜力。本研究评估菠萝残渣与椰壳生物炭分别用于生物氢生产与净化，旨在优化生物氢生成并支撑可持续废弃物制能方案。暗发酵（DF）沼气（H2与CO2）中氢体积分数在第16日与第17日分别达处理前峰值71.8%与处理后峰值81.7%。椰壳生物炭净化系统作为初步概念实现最高CO2去除率65.7%，生物炭于第19日开始饱和。CO2吸附过程中生物炭表面官能团参与吸附，吸附后观察到孔隙填充等结构变化。1吨菠萝废弃物产氢144.17摩尔，经效率50%燃料电池可发电4.75千瓦时。燃料电池提供清洁能源方案，适用于固定发电与车辆推进。Path2Green指标得分为0.523，AGREE指标得分为0.62，GAPI指标得分为85，均表明高度符合绿色分析原则与可持续性。结论指出菠萝残渣与椰壳生物炭在生物氢生产及净化方面具备潜力。

研究背景与立项依据

全球温室气体（GHG）排放持续上升，2023年总量达55.4 Gt CO₂e，其中化石燃烧与工业过程占37.8 Gt CO₂。废弃物管理不当贡献约3.2%的GHG，食品浪费约占6%。厌氧消化（AD）因技术可靠与经济可行成为有机废弃物能源回收的重要策略，其酸解阶段可由微生物代谢产生生物氢（Biohydrogen）与二氧化碳。生物氢能量密度约122 kJ·g^–1，为常规化石燃料2.75倍，但高效利用需高纯度，传统净化技术（低温分离、变压吸附（PSA）、膜法）成本高且与可持续材料集成不足。生物炭（Biochar）作为农业工业残渣热解多孔碳质材料，具备低成本和可循环优势，但文献缺乏“AD产氢+生物炭专性净化”的集成评估。研究人员以巴西圣保罗菠萝加工业残渣为发酵底物、青椰壳慢速热解生物炭为吸附剂，在实验室规模干式AD连续系统中考察产氢与净化性能，并结合Path2Green、AGREE、GAPI三项绿色指标做可持续性评价，论文发表于《ACS Agricultural Science & Technology》。

主要关键技术方法

研究人员设置两台4.3 L实验室规模干式AD反应器于36 °C中温连续运行28日，反应体工作体积2.6 L、顶空1.7 L；1号反应器投菠萝渣+水，2号反应器接收1号消化液并串联3 g青椰壳生物炭不锈钢柱（体积26.70 cm³）净化。底物取自巴西坎皮纳斯，接种物取自圣保罗禽类加工厂厌氧出水。气体每日经Tedlar袋收集，由带热导检测器（TCD）气相色谱（GC-2014，ShinCarbon ST柱，N₂载气）定量H₂/CO₂。生物炭于400 °C马弗炉慢速热解4 h，经傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电镜（SEM）、热重分析（TGA）表征。能量回收按理想气体定律由累积H₂体积换算摩尔数，乘标准吉布斯自由能变ΔG^?=237.13 kJ·mol^–1与50%燃料电池效率估算。可持续性采用Path2Green（12原则，分–1至+1）、AGREE（0–1）、GAPI（15参数三色五角图）三类指标对照文献方法评分。

研究结果

3.1 实验室规模干式AD反应器性能

3.1.1 暗发酵沼气组成

28日累计净化氢体积2165.4 mL。原料DF沼气H₂最高71.8%（第16日），经生物炭柱后第17日达81.7%，对应CO₂去除率52.0%；第18日净化气CO₂最低12.1%，峰值CO₂去除率65.7%。第19日起吸附床饱和，H₂分数衰减，第23日后低于22.8%。空床接触时间（EBCT）随气量波动为1.3–11.4 h，峰值时1.3 h仍具选择性。结果表明青椰壳生物炭在穿透前对CO₂有物理吸附富集效应，但连续运行存在饱和瓶颈。

3.2 椰壳生物炭表征

3.2.1 FTIR分析

3354 cm^–1处宽峰对应羧酸O–H与木质素酚羟基，证明含氧官能团参与CO₂吸附；吸附后谱图变化与孔隙填充结构改变一致。

SEM显示吸附前后表面形貌与沉积颗粒变化，TGA表明生物炭热稳定性与残碳率可接受。研究人员未做BET与元素分析，但指出比表面积、孔径分布与疏水性共同决定选择性。

讨论与结论翻译

讨论指出，当前生物炭柱在连续流下最大CO₂去除率65.7%、H₂提纯至81.7%，虽低于燃料电池商用纯度要求（需PSA抛光至99.97%并脱除痕量H₂S），但作为初级升级段具备废弃物增值意义。1吨菠萝干渣产144.17 mol H₂，50%效率燃料电池理论发电4.75 kWh，未计入压缩与干燥寄生负荷。生物炭第19日饱和提示须配套再生或换柱策略。Path2Green 0.523、AGREE 0.62、GAPI 85三项评分均位于绿色分析合理区间，优于稻壳、椰壳-甘蔗渣复合等对照吸附剂。

结论：菠萝残渣暗发酵可获最高71.8% H₂原料气，青椰壳生物炭净化段提至81.7%并附65.7% CO₂去除率，验证农业残渣“产氢—净化”闭环概念；能量回收与绿色指标共同支持该路径在分布式废弃物制能中的可持续性，后续需补突破曲线、再生循环与放大压力控制实验。