生物炭改性及其催化园林垃圾靶向性转化芳香化合物的过程及机理研究

Disposal of the increasing green waste is one of the urgent problems at this stage to achieve efficient recycling of biomass resources. Aromatic compounds preparation using green waste becomes to current research focus. The bottleneck of the related research includes the following aspects. The raw materials for catalyst synthesis are limited with higher costs. The process of catalyst synthesis needs to be optimized. There is no clear understanding of the pathways for green waste conversion into aromatic compounds and the role of side effects in the conversion. The method of green waste conversion into aromatic compounds needs to be improved. This study proposed to prepare modified biochars from green waste by metal modification to enhance its electronic supply capacity, electronic transmission capacity and other properties. We will study the mechanisms of lignocellulosic structure depolymerization and lignin transformation during the process of green waste degradation, as well as the side effects including fiber decomposition and alkaline earth metal chelation. The targeted conversion method will be established from green waste into aromatic compounds. This study will help to improve the theoretical system of biomass recycling research, and solve the problems of biomass recycling application to a certain degree.

合理处置日益增多的园林垃圾，实现生物质资源的高效循环利用，是现阶段亟待解决的资源环境问题之一。利用园林垃圾制备高附加值的芳香化合物是当前研究热点，相关研究的瓶颈主要是：催化剂合成原料来源单一、成本较高，合成工艺有待优化；对于园林垃圾向芳香化合物转化的路径没有认识清楚，转化过程中副反应的作用及影响尚不明确；以园林垃圾为原料向芳香化合物的定向转化方法亟待完善。本项目提出以园林垃圾为合成原料，通过金属修饰等方法制备改性生物炭，提升其电子供给、传导能力等多方面理化性质；以改性生物炭为催化剂，研究园林垃圾降解转化过程中，内部木质纤维结构变化、木质素分离转化机理，探讨纤维成分分解、碱土金属鳌合保护等副反应作用机制；建立园林垃圾定向转化方法，实现园林垃圾向特定结构芳香类产物的高效靶向性转化。本研究将有助于完善生物质资源化领域研究的理论体系，在一定程度上解决制约生物质固废资源化应用的科学难题。

园林垃圾是一类可资源化利用的生物质资源。项目针对此类生物质原料的资源转化开展具体研究工作，研究了园林垃圾转化芳香化合物过程中的关键技术方法。研究中通过高温炭化制备炭材料，并针对炭材料选择性、催化活性等多方面的理化性能提升做了相关研究。为提升材料选择性通过印记法对生物炭材料进行印记修饰，可实现炭材料的选择性固定；通过水热法原位合成非金属改性炭基镍铁尖晶石材料（NiFe2O4@C3N4），材料兼具氧缺陷及铁活性位点，具有稳定的光响应性能。在对园林垃圾资源化研究中，针对园林垃圾特点采用碱性提取/酸化沉淀方法提取获得园林垃圾中木质素组分。木质素的提取率与原料来源有关，竹子中木质素的提取率高于松木原料。在此基础上，针对生物炭对木质素及其模型化合物的吸附规律进行了定量研究。生物炭材料可以对体系中苯酚进行较大比例吸附，随着体系中苯酚含量的增加，生物炭对苯酚的吸附效率也会有所提升。相比于单苯环模型化合物苯酚，木质素更难于被生物炭所吸附。为明确生物炭在吸附过程中干扰物质可能存在的影响及其作用规律，研究了生物炭在外源可溶性有机物（DOM）存在条件下对木质素模型化合物的吸附作用规律。研究利用所合成炭材料C3N4对苯酚进行温和条件下的催化转化方法，苯酚的光催化转化效率较高，转化产物中芳香化合物占产物种类一半以上。利用所制备炭材料NiFe2O4@C3N4对苯酚进行光辅助芬顿催化转化，可实现底物苯酚转化率接近100%。此外，P25光催化剂可对木质素进行高效光催化转化，转化体系的酸碱度是影响转化效率的主要影响因素之一，碱性环境下木质素转化率相比较高。木质素在光催化反应中，其转化产物包括以芳香族化合物为主的多种生物质衍生物，进而我们关注并初步研究了生物质衍生物类外扰物质对木质素转化过程的影响。本项目研究可在一定程度上为园林垃圾等生物质固废的合理处置及有效资源化利用的相关工作提供理论方法借鉴。