近日，我校工學(xué)院2020級化學(xué)工程與工藝專業(yè)林彭慕森在中科院一區(qū)Top期刊Energy（IF=9）以第一作者身份發(fā)表了題為“Life cycle assessment of bio-oil prepared from low-temperature hydrothermal oxide-catalyzed cotton stalk”的研究論文（DOI: 10.1016/j.energy.2023.128554）。論文第一通訊作者為化工與環(huán)境系張立波副教授。本研究工作獲得了新疆維吾爾自治區(qū)自然科學(xué)基金 (2022D01F60, 2021D01B120)，新疆維吾爾自治區(qū)天山英才 (2022TSYCJC0001)等項(xiàng)目資助。
文章以典型氧化物（Al2O3, CeO2, MgO, SiO2, TiO2及ZnO）作催化劑，建立了包含粉碎等預(yù)處理過程的棉稈低溫（220°C）水熱轉(zhuǎn)化工藝，并以實(shí)驗(yàn)室規(guī)模數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行放大估算，以1kg生物油產(chǎn)品作為功能單位，進(jìn)行了涉及十六個環(huán)境影響類別的生命周期評估。
圖2 棉稈低溫水熱轉(zhuǎn)化工藝流程及其生命周期邊界
研究的評估邊界包含從棉稈種植，到作為終產(chǎn)物的生物油與副產(chǎn)物的生物炭被最終利用的全過程（圖2），計(jì)算并比較了不同氧化物催化劑在低溫棉稈水熱生物油制備工藝中的環(huán)境影響結(jié)果（圖3-A），且額外比較了全流程各階段（圖3-B）、各投入流產(chǎn)生的影響大小，定量分析得出環(huán)境影響較高的投入因素。如氧化鈰參與工藝（67.729 kg CO2e/kg生物油）生物油產(chǎn)率較高，但高催化劑合成消耗使其在相同產(chǎn)量下環(huán)境影響同樣較高；以及在氧化硅參與工藝（60.001 kg CO2e/kg生物油）中因產(chǎn)率較低、相同產(chǎn)量下投入較多的熱能消耗。這為生物質(zhì)低溫轉(zhuǎn)化工藝在實(shí)驗(yàn)室開發(fā)階段的環(huán)境維度改進(jìn)提供了參考。研究結(jié)果對實(shí)驗(yàn)規(guī)模工藝可持續(xù)性評估，及以氧化物基催化劑參與的、農(nóng)林廢棄生物質(zhì)為原料的低溫?zé)徂D(zhuǎn)化工藝產(chǎn)業(yè)化發(fā)展具有重要意義。
圖3 低溫棉稈水熱生物油生產(chǎn)系統(tǒng)環(huán)境影響。圖中為歸一化數(shù)據(jù)較高的八個環(huán)境影響類別的 (A)各催化劑參與工藝的總體比較 (B)以二氧化鈦為催化劑的低溫水熱工藝的分階段比較