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(yùn)會(huì)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(jìn)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(huì)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(shí)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(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的良性循環(huán)，具有重要的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。張士成團(tuán)隊(duì)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(huì)上展示他們的研究成果。

變廢為寶：點(diǎn)亮廢棄物的新價(jià)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(jìn)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(shí)際的利用價(jià)值是張士成團(tuán)隊(duì)研究生物質(zhì)廢棄物轉(zhuǎn)化的一個(gè)重要出發(fā)點(diǎn)，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(bǔ)充道，這些生物油可以通過進(jìn)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(qiáng)的化合物。在這個(gè)部分，團(tuán)隊(duì)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(jī)酸(乙酸、乳酸等)、苯酚等。同時(shí)，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(jìn)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(dá)到3000m2/g，大大提升了其吸附性能，同時(shí)可以運(yùn)用到超級(jí)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(tuán)隊(duì)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(jī)酸等，從而實(shí)現(xiàn)液相有機(jī)物的去除及資源化利用。

定向控制：根據(jù)特定需求實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物可控

在談及整個(gè)生物質(zhì)廢棄物水熱資源化綜合利用技術(shù)的核心時(shí)，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(diǎn)，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(shí)驗(yàn)室中將各種轉(zhuǎn)化條件弄清楚，這樣才能知道實(shí)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(dá)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(shí)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(gè)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(tuán)，從而得到具有特定性能的碳材料。張士成在介紹時(shí)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(fù)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(qiáng)。

在厭氧發(fā)酵方面，張士成團(tuán)隊(duì)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(jī)物如何實(shí)現(xiàn)向生物燃料和化學(xué)品的高效轉(zhuǎn)化，同時(shí)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(jī)制及微生物群落動(dòng)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(tuán)隊(duì)也提出將熱解氣化與厭氧發(fā)酵相結(jié)合以實(shí)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(jī)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(shí)現(xiàn)合成氣與有機(jī)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(xiàng)技術(shù)的研究已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室取得了成功。

張士成總結(jié)：“我們這項(xiàng)技術(shù)的整個(gè)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(bǔ)”

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(jìn)行分析成為了一大難點(diǎn)。張士成坦誠，相關(guān)儀器設(shè)備的缺少會(huì)成為他們研究的“絆腳石”。

為了解決這個(gè)問題，團(tuán)隊(duì)積極同兄弟單位尋求合作。據(jù)張士成介紹，團(tuán)隊(duì)部分產(chǎn)物分析工作是在北京一個(gè)專門研究重油的國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室里完成的，借用了對方先進(jìn)的設(shè)備實(shí)現(xiàn)了對產(chǎn)物的進(jìn)一步分析。另外，團(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，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(bǔ)。”張士成強(qiáng)調(diào)。

現(xiàn)階段，已有不少企業(yè)和張士成團(tuán)隊(duì)達(dá)成了合作關(guān)系，團(tuán)隊(duì)和迪士尼公司就已經(jīng)簽訂了一個(gè)處理綠化廢物的項(xiàng)目。張士成團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)提供技術(shù)支持，企業(yè)自身則運(yùn)用市場化的方式來運(yùn)作。對企業(yè)而言，對生物質(zhì)廢棄物進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理不僅解決了環(huán)境問題，同時(shí)也會(huì)提升經(jīng)濟(jì)價(jià)值，是環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益兼顧之舉。

為了此次工博會(huì)，張士成團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)。同時(shí)，相關(guān)論文已經(jīng)發(fā)表了40余篇，專利申請了27項(xiàng)，其中9項(xiàng)已獲得了授權(quán)。張士成希望可以借工博會(huì)這個(gè)平臺(tái)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(jì)一個(gè)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(shí)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(gè)人需求、社會(huì)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(jiān)持，每天都會(huì)有新的發(fā)現(xiàn)，當(dāng)個(gè)人發(fā)展和社會(huì)需求緊密結(jié)合時(shí)，這個(gè)職業(yè)道路才走得更遠(yuǎn)更有意義。”張士成這樣表達(dá)著對學(xué)生的期盼。