綠色能源之生物質能的應用研究進展

朱冬梅

(蘭州信息科技學院，甘肅蘭州 730207)

能源的綠色化利用和新型綠色能源的開發是綠色化學的研究內容之一。眾所周知，社會生活和全球經濟的發展都離不開能源。能源已然成為現代文明物質基礎。而化石原料因其形成周期長、不可再生、污染嚴重等原因，需要找到能夠通過自然力保持或增加蘊藏量的可再生自然資源。煤、石油和天然氣是我國使用的主要能源，近年來又研究與推廣了生物質能、太陽能以及核聚變能等能源[1]。

生物質能是一種重要的且可再生的綠色能源，是以生物質為載體的能量。綠色植物的葉綠素通過光合作用把CO2和H2O 轉化為葡萄糖，并把光能儲存下來,然后再聚合成淀粉、纖維素、甲基素、木質素等大分子生物質。生物質在自然界中分布廣泛，包括農作物、林產物、海產物、植物油料、動物代謝物以及農林廢棄物等。生物質能種類豐富，包括農業物質資源、林業物質資源、農產品加工業有機廢水、城市固體廢物等，具有產量大、儲量豐富、低污染、可再生性等特點。生物質能利用形式多樣，應用廣泛，大力發展潛在的生物質能可積極響應經濟循環和可持續發展的理念[2]。

1 農藥領域的應用[3]

農業生產中廣泛應用的農藥為油溶性物質，其特點是與水不能互溶，但是極易溶于有機溶劑。農藥制劑在便捷生產的同時也伴隨著對環境的危害，所以將微乳劑或者水乳劑（有少量助劑以及有機溶劑）應用于農藥中能達到相對的環保。淀粉表面活性劑、增稠劑黃原膠和糖類表面活性劑等在農藥制劑中具有特殊的地位。科學研究表明，生物助劑在農藥領域有著廣闊應用前景。但由于傳統助劑的利用多于新型助劑，因此可以制定相關政策來支撐與推動各類生物質助劑的研發，從而使傳統的助劑如石油類助劑逐漸減少。

2 烤煙烘烤領域的應用[4]

我國處于生物質能源產量的首位，為將資源充分利用和改善環境問題可以將充足的生物質能應用于烤煙烘烤中。通常高耗煤量、低熱能利用率的燃煤供熱用于烤煙烘烤中，具有優良表現性質的生物質（生物質壓塊、物質型煤、生物質氣化）能在其中得以廣泛使用并都具有較好的作用效果。姚宗路在2010 年通過研究生物質壓塊的相關因素，制造了用于大規模且全自動的生產生物質壓塊的一系列設施。烤煙烘烤時，通過將生物質進行壓塊而形成的生物質原料比起用烤爐或者烤房來成形更便捷。生物質能在烤煙烘烤中有如下優勢：1）能夠代替煤炭燃料；2）烤煙生產成本低；3）節能減排；4）煙葉質量較高。近期研究顯示，生物質能在未來烤煙烘烤領域將具有廣闊的應用前景。

3 食品包裝領域的應用[5]

目前，無毒性、水溶性以及環境友好的聚乙烯醇大量應用于食品領域中，因而，為了使聚乙烯醇更穩定且能夠廣泛的應用于食品工業，可以將殼聚糖、蛋白質以及能夠降解的塑料等一系列生物質用于其中。此外，聚乙烯醇薄膜的抗菌、抗氧化能力可以用天然提取物、精油以及花青素等來改良，但科學研究者在低成本這一方面仍需要做較多的研究。

4 制氫技術領域的應用[6]

生物質制氫技術是指營養或者光合微生物以及動植物的一系列代謝產物通過光合作用得到氫氣用于能量供應的過程，屬于生物質能應用的其中之一。較低硫、碳含量的生物質之所以用于制氫是由于其產生了可以用于新能源交通設施以及燃料電池的氫氣，這一清潔燃料大大提高了其使用效率。此外，農林廢棄物、工業有機廢水以及生活污染物等也可以用于生物制氫中，從而在廢物利用的同時也有利于環境的保護。固氮酶（遇氧失活和固氮反應的催化）以及氫酶（可逆氫、酶氫酶和吸氫酶的相互依存且具有強的還原力）在生物質產氫過程中具有決定性的作用。就任于哈爾濱工業大學的任南琪教授已經將厭氧活性污泥作為產氫菌種（將污水中的細菌分離產生氫氣）來發酵并完成了制氫技術，并在此領域取得了令人矚目的成就。但是，改進菌群的種類、大量產氫以及產氫時的約束性等都是現存的問題，研究者們將在以后的開發中作出更為廣闊的應用范圍。

5 化學轉化技術領域的應用[1]

固型燃燒、爐灶燃燒、垃圾焚燒等傳統燃燒手段是將生物質能直接轉化為其他形式的能量用于生活所需，此過程中不發生任何化學變化，其因成本低，利用率高且無公害而大規模應用于轉化技術中。另外，液化（直接液化和間接液化）技術、熱解技術、汽化利用技術等也應用于生物質能轉化技術中。由于仍然存在政治策略的局限性、成本較高和資源環境等問題，所以應當在資源充分利用上增加對生物質能的試用與試驗，為未來生物質能在國民經濟以及環境中樹立了難以動搖的地位。

6 催化劑領域的應用

目前，生物質催化劑的開發與利用已經受到了世界科研工作者的高度重視。為了使甲烷能夠更好的催化氧化Amadou 等制備了多孔的生物質炭材料，此炭材料是用甲殼素來合成的納米材料（負載Pt）[7]。生物質氣化時將催化劑放入其中可以有效地量化燃料氣并將其成分重組，也能夠使焦炭、焦油催化裂化而降低產量，通過催化氣化從而使生物質按照一定的方向向著生成氫氣等其他類型燃料氣的方向進行。因此，將催化氣化應用于生物質氣化領域中會是一個經濟性的途徑[8]。

7 吸附領域的應用[7]

強吸附力的多孔生物質炭材料在食品的安全性、包裝以及廢棄物處理等方面有了廣泛使用。Essandoh 等通過一系列實驗表明存在于水溶液中的水楊酸與布洛芬能夠被發生物理變化的松木屑產生的炭材料進行強有力的吸附。研究表明，此生物質炭材料具備優良的吸附性能和低成本的好處。

8 電化學領域的應用[9]

炭材料的碳源來自于低成本的生物質（可再生或者廢棄物資源），即生物質炭材料，是將穩定性好、比表面積高以及導電性能良好等集一身的新興理想電極材料，在國防、醫療和電子設備等領域中使用較多。內阻低、高穩定性的炭材料在電化學領域的成就是制成了電池或者電容器設備，提高其利用率最有效的手段是改進比表面積和孔徑的大小。

生物質能源與生物質化學品是化學化工中常見的表現形式，也是人類生存的必需品，生物質的開發與利用在環境保護及國民經濟的增長等方面起到了重要作用。在今后，科研工作者將更深層次的探索生物質能并應用于相關領域。