復(fù)旦大學(xué)張士成團隊實現(xiàn)生物質(zhì)廢棄物資源化利用

利用秸稈、藥渣、餐廚垃圾等生物質(zhì)廢棄物制備的活性炭、功能碳材料，以及液相廢水經(jīng)厭氧發(fā)處理前后對比 宋晗煜 攝

利用秸稈、藥渣、餐廚垃圾等生物質(zhì)廢棄物制備的活性炭、功能碳材料，以及液相廢水經(jīng)厭氧發(fā)處理前后對比 宋晗煜 攝

2008年6月，北京奧運會帆船比賽開幕前夕，大量滸苔在青島近海海域和沿岸聚集，一度影響到比賽的正常舉行。國家當(dāng)即投入了大量的人力物力進行滸苔打撈清理工作，清除滸苔100多萬噸。之后滸苔綠潮每年爆發(fā)，而就在2010年青島滸苔大面積爆發(fā)的前不久，復(fù)旦大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系教授張士成在美國化學(xué)會的期刊上發(fā)表了一篇文章，探討如何用滸苔制備生物油。他的工作也啟發(fā)了更多科研工作者對于生物質(zhì)廢棄物綜合利用的思考。

生物質(zhì)廢棄物的能源化和資源化利用可以同時解決環(huán)境污染問題、能源和資源短缺問題，形成環(huán)境保護與經(jīng)濟發(fā)展的良性循環(huán)，具有重要的環(huán)境、經(jīng)濟和社會效益。張士成團隊在生物質(zhì)廢棄物水熱資源化綜合利用方面的基礎(chǔ)理論研究與應(yīng)用技術(shù)開發(fā)現(xiàn)已處于國內(nèi)國際前列，并將在2017中國國際工業(yè)博覽會上展示他們的研究成果。

變廢為寶：點亮廢棄物的新價值

中國每年產(chǎn)生大量生物質(zhì)廢棄物，包括玉米秸稈、水葫蘆、滸苔、綠化廢棄物、藥渣等，帶來了環(huán)境污染問題。秸稈焚燒帶來大氣環(huán)境污染問題，滸苔和水葫蘆爆發(fā)造成航道阻塞、腐爛后造成水體環(huán)境污染……政府部門每年都需要投入大量的人力物力來進行處理。

轉(zhuǎn)換一種視角，生物質(zhì)廢棄物主要成分是纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等，可以作為生物質(zhì)能源、生物質(zhì)燃料、生物基化學(xué)品和材料的原料，是良好的生物質(zhì)資源。實際的利用價值是張士成團隊研究生物質(zhì)廢棄物轉(zhuǎn)化的一個重要出發(fā)點，他們以常見的生物質(zhì)廢棄物為原料，采用水熱轉(zhuǎn)化技術(shù)，通過特定的催化劑作用得到了生物油、水相產(chǎn)物和固相產(chǎn)物。

“現(xiàn)階段轉(zhuǎn)化得到的生物油是非常復(fù)雜的混合物，在組分和物態(tài)方面更接近原油。”張士成補充道，這些生物油可以通過進一步的分離提質(zhì)得到小分子的化學(xué)品和燃油，日后可以用于車用燃料等。

水相產(chǎn)物主要是一些有極性的、水溶性較強的化合物。在這個部分，團隊已經(jīng)可通過膜分離和柱層析的方法得到一些純度較高的化學(xué)品，比如木糖、有機酸(乙酸、乳酸等)、苯酚等。同時，生物燃料也是水相產(chǎn)物的一部分。

固相產(chǎn)物可用于制備碳材料或者土壤改良劑。經(jīng)過水熱液化技術(shù)直接得到的是水熱炭，它可以進一步通過添加不同的活化劑等制備得到一系列的碳材料。舉例而言，一般的商品活性炭的比表面積在1000m2/g左右，而經(jīng)過特殊活化技術(shù)處理的活性炭比表面積能達到3000m2/g，大大提升了其吸附性能，同時可以運用到超級電容電極材料。土壤改良劑則是用于保持水分和營養(yǎng)，吸收固定大氣中的二氧化碳，應(yīng)用前景廣闊。

除了利用熱化學(xué)的方法，張士成表示，團隊對于在水熱轉(zhuǎn)化的過程中產(chǎn)生的剩余液體也做了資源化研究。經(jīng)由厭氧發(fā)酵的方法可以產(chǎn)生沼氣、氫氣或有機酸等，從而實現(xiàn)液相有機物的去除及資源化利用。

定向控制：根據(jù)特定需求實現(xiàn)產(chǎn)物可控

在談及整個生物質(zhì)廢棄物水熱資源化綜合利用技術(shù)的核心時，張士成指出，關(guān)鍵在于根據(jù)特定需求做到轉(zhuǎn)化條件和產(chǎn)物結(jié)果的可控制化。

生物質(zhì)廢棄物非常復(fù)雜，不同的政府部門或者相關(guān)企業(yè)對于資源化處理結(jié)果的需求有所不同。有些希望得到材料多一點，有些是需要更多生物能源，而有些則是對發(fā)酵產(chǎn)物的需求更大，那么這就要求研究者必須在實驗室中將各種轉(zhuǎn)化條件弄清楚，這樣才能知道實現(xiàn)某一特定需求的具體操作條件如何。

“生物質(zhì)催化液化的過程是很關(guān)鍵的，在此過程中可以控制反應(yīng)條件、催化劑來達到定向轉(zhuǎn)化的目的。如果傾向于在水相產(chǎn)物中得到更多的酚類化合物，就可以選用特定的易于酚類轉(zhuǎn)化的催化劑，或者在原料處理時就選用含木質(zhì)素較多的生物質(zhì)廢棄物。”張士成解釋。

在制備化學(xué)品的這個角度之外，由水熱炭制備不同功能的碳材料同樣經(jīng)過了催化轉(zhuǎn)化，控制催化活化的技術(shù)、方法、條件，改變材料的比表面積或表面官能團，從而得到具有特定性能的碳材料。張士成在介紹時舉例，在活化過程中定量地添加一些鐵鹽，它們在反應(yīng)中轉(zhuǎn)化成氧化鐵附著在活性炭上，便可以得到磁性活性炭，這樣在吸附污染物后可以很容易地用磁鐵把它分離出來，以供回收利用。若在活性炭上負載氧化鎂，那么它對特定的污染物，比如說磷元素的吸附能力就能大大增強。

在厭氧發(fā)酵方面，張士成團隊也做了大量基礎(chǔ)研究，旨在弄清楚經(jīng)水熱反應(yīng)后的液體中的有機物如何實現(xiàn)向生物燃料和化學(xué)品的高效轉(zhuǎn)化，同時結(jié)合蛋白質(zhì)組學(xué)和宏基因組學(xué)等分子生物學(xué)技術(shù)手段闡明厭氧轉(zhuǎn)化機制及微生物群落動態(tài)變化特征，為后續(xù)定向控制發(fā)酵過程及提高厭氧發(fā)酵效率提供理論支持。除此之外，張士成團隊也提出將熱解氣化與厭氧發(fā)酵相結(jié)合以實現(xiàn)生物質(zhì)廢棄物的高效資源化利用。舉例而言，在處理有機廢棄物的厭氧反應(yīng)器中通入生物質(zhì)廢棄物熱解制得的合成氣可以同步實現(xiàn)合成氣與有機廢棄物的甲烷化，充分發(fā)揮厭氧反應(yīng)器產(chǎn)甲烷的潛力，產(chǎn)生的甲烷可以替代天然氣使用，該項技術(shù)的研究已經(jīng)在實驗室取得了成功。

張士成總結(jié)：“我們這項技術(shù)的整個應(yīng)用將來肯定是屬于環(huán)境工程的領(lǐng)域。我們目前研究的雖然只是環(huán)境工程技術(shù)里面的一些科學(xué)問題，但是我們把科學(xué)問題抽離出來，搞清楚全面的情況后，就能很容易地返回到環(huán)境工程中，去指導(dǎo)生物質(zhì)廢棄物的處理過程。”

多方合作：“一定要做到優(yōu)勢互補”

水熱催化初步得到的產(chǎn)物是相當(dāng)復(fù)雜的，大分子和小分子的化合物并存，如何在分離后對這些產(chǎn)物進行分析成為了一大難點。張士成坦誠，相關(guān)儀器設(shè)備的缺少會成為他們研究的“絆腳石”。

為了解決這個問題，團隊積極同兄弟單位尋求合作。據(jù)張士成介紹，團隊部分產(chǎn)物分析工作是在北京一個專門研究重油的國家重點實驗實驗室里完成的，借用了對方先進的設(shè)備實現(xiàn)了對產(chǎn)物的進一步分析。另外，團隊也和北京光源、上海光源國家科學(xué)中心保持良好的合作關(guān)系，在他們的實驗室里用同步輻射光源研究生物質(zhì)廢棄物所含的重金屬和制備的碳材料的結(jié)構(gòu)形態(tài)。“科研是需要合作的，假如自身沒有手段去完成實驗，或是在某些方面有所欠缺，那就要去共同合作，一定做到優(yōu)勢互補。”張士成強調(diào)。

現(xiàn)階段，已有不少企業(yè)和張士成團隊達成了合作關(guān)系，團隊和迪士尼公司就已經(jīng)簽訂了一個處理綠化廢物的項目。張士成團隊負責(zé)提供技術(shù)支持，企業(yè)自身則運用市場化的方式來運作。對企業(yè)而言，對生物質(zhì)廢棄物進行轉(zhuǎn)化處理不僅解決了環(huán)境問題，同時也會提升經(jīng)濟價值，是環(huán)境效益、經(jīng)濟效益和社會效益兼顧之舉。

為了此次工博會，張士成團隊在實驗室范圍內(nèi)的小試已經(jīng)做了很多，水熱催化過程80L容量的中試也已經(jīng)實現(xiàn)。同時，相關(guān)論文已經(jīng)發(fā)表了40余篇，專利申請了27項，其中9項已獲得了授權(quán)。張士成希望可以借工博會這個平臺往前跨一步，能在中試的基礎(chǔ)之上，得到企業(yè)的資助和政府的支持，設(shè)計一個可投入大量使用的完整處理系統(tǒng)，在多方合作下，真正的解決實際生活中生物質(zhì)廢棄物污染的問題。

多年來，張士成沉心于科研工作，信奉并踐行著將個人需求、社會需求、國家需求相結(jié)合的科研理念。“科研工作需要長期的堅持，每天都會有新的發(fā)現(xiàn)，當(dāng)個人發(fā)展和社會需求緊密結(jié)合時，這個職業(yè)道路才走得更遠更有意義。”張士成這樣表達著對學(xué)生的期盼。