中国化工学会烃资源评价加工与利用专委会_生物炭驱动的生物油绿色分离与催化提质：机理、应用及未来展望

生物炭驱动的生物油绿色分离与催化提质机理、应用及未来展望参考资料:Lifan Zhong,et al.Biochar-Driven Green Separation and CatalyticUpgrading of Bio-Oil: Mechanisms, Applications, and Future Perspectives[J]Energy & Fuels, 2025, 39, 19977 19997.整理推荐：中国化工学会烃资源评价加工与利用专委会田松柏目录1.引言4.生物炭基生物油处理的实际障碍1.1.研究背景4.1.生物炭的稳定性和可回收性1.2.生物油的挑战与传统方法的局限性4.2.催化活性与选择性之间的平衡1.3.生物炭的独特优势4.3.大规模应用的经济性和可行性2.生物炭吸附分离生物油5.缓解生物炭应用障碍的当前可行解决方案2.1.目标化合物类别与去除必要性5.1.生物炭的改性与优化2.2.表面化学导向的吸附机制5.2.催化剂设计与开发2.3.分级孔结构与动力学限制5.3.工艺集成与创新2.4.多组分体系中的竟争性相互作用6.挑战与展望2.5.活化策略与性能优化2.6.研究空白与未来方法学方向6.1.基础科学排战2.7.生物炭吸附的潜在应用6.2.基础研究的先进方法6.3.前沿研究主题与变革潜力3.生物炭催化转化生物油7.结论2 / 26研究背景生物质能的重要性生物质能作为唯一兼具物质和燃料功能的再生资源，在全球能源格局中占据关键地位。它是一种可持续的能源形式，能够减少对化石燃料的依赖，并有助于降低温室气体排放。热解技术的关键作用热解技术是生物质高效利用的主要途径，可将原料热化学转化为多种有价值的产品。通过热解工艺，生物质能够被转化为三种主要产物：生物炭生物油气态产物生物炭和生物油因其广泛的应用最而成为研究热点3 / 26生物油的挑战与传统方法的局限性生物油的挑战传统方法的局限性复杂组成热脆弱性生物油由多种有机化合物组成，包括酸、醛、酮、酯、呋吨、酚传统蒸馏会导致热不稳定化合物（如糖和醛）的聚合和裂解，降和糖等，需要分离或催化提质以提高目标产物收率，低有价值产物的收率。?热不稳定性高能耗传统蒸留会导致热不稳定化合物（如糖和醛）的聚合和裂解，降萃取过程中溶剂回收会带来显著的能源消耗，不利于可持续发展低有价值产物的收率。O高含水量催化剂失活高含水量（约35-40wt%）降低热值，需要进行脱氧和精炼处沸石/金属体系会因积炭和酸漫而失活，导致处理效率下降和维理。护成本增加。?高氧含量显著的酸度导致设备腐蚀，需要在使用前进行脱氧和精炼处理。需求：需要开发能够在温和条件下进行分离和提质的替代方法，以克服这些根本性缺陷，4 / 26生物炭的独特优势生物炭的结构特性在生物油处理中的优势分级孔隙结构规避热降解途径通过整合分级孔腺结构实现尺寸选择性分子筛分，精确控制在温和条件下进行分离和提质，避免生物油中热不稳定性化合物的产物分布聚合和裂解可调表面言能团消除溶剂再生需求丰富含氧表面官能团实现靶向催化反应，可通过工艺调控调节无需使用有机溶剂，避免了溶剂回收的高能耗问题，实现绿色分离表面化学特性工艺高效吸附与催化卓越化学稳定性高度稳定的芳香骨架结构赋予生物炭卓越的化学稳定性，抵抗通过表面官能团与生物油组分的相互作用，实现高效吸附与选择性催化转化传统失活机制可调控的分离性能通过调节生物炭的制备条件和活化方法，精确控制其孔隙结构和表面特性，优化分离效果5 / 26生物炭吸附分离生物油：目标化合物与必要性生物油中的关键化合物类别酸类：具有陷蚀性，导致设备损坏醛类： 热不稳定性高， 易聚合葡类：彩响燃炼特性)精类：水溶性，高含量增加粘度分离的必要性选择性分离的重要性·提高生物油的热稳定性·生物炭可通过调控孔膜结构实现尺寸选择性·降低酸度，减少设备腐蚀·表面官能团可实现化学选择性·去除水分，提高热值·避免传统分离方法的热降解问题·实现选择性提取有价值化学品，为生物油的高效利用提供新途径图1.原始生物油与经生物炭吸后的化合物组成对比6 / 26表面化学导向的吸附机制生物炭表面官能团通过多种非共价相互作用选择性地吸附生物油中的目标化合物，这些相互作用决定了吸附的特异性和强度。氢键作用疏水相互作用生物炭表面的含氧官能团（如酚羟基、羧基）与生物油中的极性化生物炭表面的硫水区域与生物油中的非极性化合物发生疏水相互作合物形成氧键。主要吸附酸性化合物(如有机酸、酚类）优先吸附芳香族化合物和长链脂肪烃通过氧键固定目标分子，实现选择性分离在分级孔结构中，疏水作用增强分子扩散T-T堆积作用表面异质性生物炭表面的芳香结构与生物油中的芳香族化合物通过T-T堆积作生物炭表面的官能团分布不均造成异质性，形成多种活性位点。用相结合。特别有利于多环芳香烃的吸附不同官能团协同作用，实现高效分离提供额外的稳定化能量，增强吸附能力表面酸碱位点影响吸附选择性和动力学7 / 26分级孔隙结构与动力学限制孔隙结构分类分级孔隙结构对吸附动力学的影响微孔(<2nm)生物炭的分级孔障结构通过以下机制影响分子吸附：提供高比表面积，主要通过微孔填充机制吸附分子尺寸选择性：不同孔径对分子尺寸具有筛分效应，影响不同分子量组分的可及性O中孔 (2-50 nm)①扩散限制：大分子在微孔中的扩散速率显著低于小分子平衡了表面积与扩散速率，是理想的分子筛分通道①表面化学效应：孔腺环境改变分子的局部化学环境和反应活性O 孔 (>50 nm)on lio-OilAdarptic提供快速扩散通道，但比表面积较低动力学限制机制→分子尺寸与孔随尺寸的匹配度影响扩散速率→不同分子量组分在多孔结构中的传额行为差异→孔障结构影响吸附动力学与平街关系图：生物关孔验结药时生物油股对的影响8 / 26多组分体系中的竞争性相互作用竞争吸附现象生物炭结构设计优化选择性生物油由多种有机化合物组成，包括酸、醛、酮、酯、、酚和调控孔径分布：通过控制微孔。介孔和大孔比例，实现对特定糖等。在复杂混合物中，各组分之间存在竞争吸附现象。分子的选择性吸附竞争性吸附导致吸附等温线偏离单组分行为表面官能团工程：引入特定官能团，增强对目标化合物的亲和力强吸附物质会抑制弱吸附物质的吸附能力pH值调节：通过调节pH值改变表面电荷，影响竞争吸附行为竞争效应影响生物炭的分离选择性生物炭复合材料：设计多功能复合材料，实现协同效应竞争吸附机制生物预表面宽争性吸附示意图D孔结构限制：生物炭的分级孔瞬结构影响分子扩散和吸附半达排性表面化学：官能团之间的相互作用改变吸附能位.溶剂化效应：水分子与其他组分的争吸附9 / 26生物炭活化策略与性能优化生物炭的吸附性能可通过活化策略进行提升，主要分为物理活化和化学活化两大类方法。活化方法对生物炭性能的影响田孔障结构影响物理活化通过物理方法（如水蒸气、CO,）刻蚀生物炭表面物理活化可增加微孔和中孔含量，提高比表面积增加微孔和中孔含量，提高比表面积化学活化可调节孔径分布，优化分级孔瞬结构优化分级孔期结构，减少扩散限制合理的无隐结构可减少扩散限制，提高质量传递效率表面化学影响活化过程可调节表面言能团的种类和数量改变表面电荷分布，影响吸附选择性增强特定官能团的活性，提高催化性能化学活化飞性能优化