第一作者：周若兰
通讯作者：王允圃
通讯单位：南昌大学 食品学院 食品科学与资源挖掘全国重点实验室/生物质转化教育部工程研究中心
杂志：Chemical Engineering Journal（Q1, 影响因子13.3）
DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.157727
图文摘要
背景介绍
南酸枣果核作为南酸枣食品加工过程中产生的废弃物，其大部分被焚烧或填埋处理，仅少量被用作活性炭生产前体材料，该资源的低效利用已演变为亟待解决的环境与能源双重挑战。微波热解技术因在生物质能源转化方面兼具高效性与经济可行性而广受瞩目。相较于生物质原料，经热解所得生物油具有能量密度提升、储运便捷等显著优势，成为可持续石油替代燃料领域的研究焦点。然而，多数生物质原料对微波的吸收效能欠佳，且所产生物油普遍存在含氧量高等缺陷，故引入微波吸收剂与催化剂以强化吸波效果并提升生物油品质成为必要举措。
南酸枣核呈椭球状，外形圆润饱满，富含木质纤维素，具备生物油与生物炭生产的潜力。南酸枣核炭（CASC）展现出高效的微波吸收特性及稳定的热解性能，是一种极具潜力的微波吸收材料。此外，CASC拥有丰富的多孔结构、多样的表面官能团以及酸性位点，因而具备良好的催化活性。基于此，CASC在优化微波吸收、实现快速加热以及改善产物分布方面拥有广阔的应用前景。尽管CASC已显示出良好的应用潜力，但当前针对其可重复使用性的研究相对匮乏，这一短板阻碍了其在工业领域，尤其是连续高效生产场景中的推广应用。因此，深入探究CASC的可重复使用性对于拓展其应用范畴、提升资源利用率具有重要意义。
基于此，本研究创新性地提出一种“煮豆燃豆萁”式的策略，即以南酸枣核生物炭作为微波吸收剂与原位催化剂，助力南酸枣核的微波热解以生产生物油。此方法不仅有利于推动南酸枣核的综合利用，亦为生物质能的可持续转化提供了参考。
重要结果
图1 不同微波吸收剂对各产物产率和组成的影响
作者探讨了在相同实验条件下（550℃，600 W），CASC与SiC这两种微波吸收剂的升温特性以及对产物组成和分布的影响。结果表明，与SiC相比（升温速率为42.6 ℃/min，升温时间为12.1 min），CASC具有更快地升温速率（59.3 ℃/min）和更短的升温时间（9.4 min）。这是由于CASC具有更高的介电损耗正切（tan δ），与微波的耦合能力更强，更有利于对微波辐射的吸收。此外，在CASC和SiC作用下，生物油的产率相当（都为43.5 wt.%），但是CASC作用下得到的生物油具有更高的芳烃含量（32.5%）和更低的含氧化合物含量（63.7%）。这是因为SiC具有惰性，不参与热解反应，但CASC具有较大的比表面积和丰富的孔隙结构，能够为中间体和活性位点之间的相互作用提供更大的空间。并且南酸枣核生物质中木质素含量丰富（62.0 wt.%），木质素中含有大量的芳香环结构，为芳烃的生成创造了条件。CASC中的活性位点促进了β-O-4键的断裂，木质素被裂解为小分子含氧化合物，由于CASC中存在的酸性位点，这些轻分子可以通过缩聚和芳构化产生更多的芳烃。此外，CASC在微波辐射的作用下可以促进烷烃等供氢体发生氢转移反应，并通过双烯合成和一系列脱氢反应生成芳烃，最终导致更高的芳烃产率和更低的含氧化合物产率。
此外，在探究热解参数对于热解产物组成和分布的影响过程中，发现采用700 W的微波功率和500℃的热解温度的热解参数获得了最高的芳烃产量（61%），以及最快的升温速率（77.7 ℃/min）。
图2 CASC在最佳实验条件下重复使用五次的产物组成和分布
在上述最佳实验条件下，作者探讨了CASC的可重复使用性，发现CASC在重复使用五次后，仍能保持较快的升温速率，加热时间较短，能耗低。此外，在重复使用的过程中，生物油的产率没有明显波动，芳烃的含量随着使用次数的增加，呈现出先减少后增加的趋势，但仍能保持相对较高的芳烃含量。这表明，虽然CASC经过多次使用后其比表面积和孔隙结构以及酸性发生了变化，但对提高生物油的收率以及芳烃产率仍具有一定的活性。CASC优异的升温特性、良好的催化活性以及可重复使用性表明其作为一种微波吸收催化剂在生物质热化学转化规模化应用方面具有较大的潜力。
总结
该课题组长期聚焦生物质微波热化学转化制备液体燃料和高附加值化学品的研究工作。在本项研究中，创新性地提出“煮豆燃豆萁”—南酸枣核在微波热解中的综合利用新策略，成功地将食品加工过程中产生的废弃南酸枣核进行高值化转化，充分挖掘了其潜在的能源与经济价值。
作者简介
第一作者
周若兰，南昌大学食品学院食品工程专业2022级硕士研究生，主要从事生物质催化热解研究，以第一作者发表SCI论文1篇。
通讯作者
王允圃，博士，研究员，博导，南昌大学科技处副处长，生物质转化教育部工程研究中心常务副主任。主要从事生物质微波热解转化能源利用研究。入选江西省高层次人才“双千计划”、杰出青年基金、主要学科学术和技术带头人培养计划-青年人才、国家自然科学基金优青培育计划；以第一完成人获江西省自然科学二等奖1项，江西省教学成果二等奖2项；荣获江西省青年五四奖章（个人）、江西省金牌教授、教学名师等荣誉称号。主持国家自然科学基金面上、科技部国际合作等国家级项目4项，省重点研发计划等省级项目10项，横向转化项目3项。以第一或通讯作者发表SCI论文97篇，其中中科院一区/TOP期刊56篇，包括全球前5‰论文1篇，Nature Portfolio期刊论文1篇，ESI高被引、热点论文6篇，论文总计被引频次达7863，H指数54，连续3年入选全球前2%顶尖科学家。以第一发明人授权发明专利22件，其中国际专利1件。以第一指导老师带领学生获得中国国际大学生创新大赛国家金奖、“挑战杯”国家特等奖、金奖等国家级奖19项，省部奖29项。
本公众号现全面开放投稿，希望文章作者讲出自己的科研故事，分享论文的精华与亮点。投稿请联系小编（微信号：biomass12345）
为了增加生物质领域科研人员的交流与合作，我们编辑部（木质素高值化利用国家创新联盟秘书处）目前组建了生物质前沿微信交流群，欢迎相关领域研究人员入群讨论，共同进步。
进群方式：添加小编为好友（微信号：biomass12345），邀请入群。
请备注：姓名+单位+研究方向。
另外，本公众号还友情为国内外有需求的实验室免费发布招聘信息，也可为学术机构发布相关学术会议信息。
