生物质能变废为宝 提升减污降碳效能

——中国环境科学研究院宋凡浩团队

能源是人类社会经济发展的重要基石和保障，其高效利用有利于保护自然环境和促进社会可持续发展。煤炭等化石能源的广泛利用依然是当前能源消费结构的主体方式，已成为导致空气污染等全球性环境问题的重要因素之一。生物质作为重要的可再生清洁能源，因丰富的储量和廉价的成本成为仅次于煤炭、石油和天然气的第四大能源。生物质能源合理开发与利用具有提升能源产品产量和降低环境污染风险的巨大优势。

生物质零碳资源热解技术的推广与应用是服务国家能源可持续发展的重要举措，生物质能清洁利用过程的热成有机碳和污染物在线监控在减污降碳目标中扮演重要角色。中国环境科学研究院环境基准与风险评估国家重点实验室宋凡浩团队围绕碳基能源高值转化与减污降碳、有机碳与污染物环境地球化学过程等领域开展了大量研究，取得多项创新性成果。

理论创新：阐明生物质热成有机碳形成过程机制

废弃生物质的不合理利用使其从“闲置资源”变为“环境污染源”，提升废弃生物质资源化水平成为当前研究重点和热点之一。热解技术因转化率高和经济效益明显等优势被广泛产业化应用。然而，生物质热解过程仍存在微观反应机理和产物形成机制尚不明确，以及产物环境影响研究尚不足等关键科学问题。团队以秸秆、木屑和甘蔗渣等多种生物质为研究对象，利用热重法结合动力学模型研究了典型生物质的热解特征和反应机理；采用在线热解系统分析了典型生物质热解挥发分释放的动态特征和温度响应机理；以典型生物质为原材料制备了不同热解温度下生物炭材料，并结合红外光谱、核磁共振光谱和X射线光电子能谱等技术表征了生物炭微观结构及其温度演变趋势。研究结果为热解技术工艺优化、产物资源化和减污降碳等工程应用提供了重要的理论依据和技术支撑。

技术创新：搭建生物质热成有机碳在线监测系统

生物质与煤共热解技术在资源清洁利用和副产品回收等方面发挥了重要作用，成为学术研究和产业应用的热点。同时，生物质与煤共热解过程也会产生大量的挥发性有机碳（VOC），如处置不合理，将为生态环境带来潜在风险。但是，由于生物质与煤共热解过程的复杂性和热解参数的多样性，VOC形成过程及内在机制尚不明确，成为影响共热解技术优化和广泛应用的重要因素之一。针对上述关键科学与应用问题，团队借助热重-傅里叶变换红外光谱-气相质谱在线技术，创新提出实时热解体系的二维解析新策略，阐明秸秆生物质与半烟煤共热解过程VOC动态释放特征、辨识原料配比和升温速率等关键影响因素，发现多类型VOC释放存在温度响应次序差异的微观机制，为生物质与煤共热解工艺优化和VOC分段监控提供了理论和技术支撑。成果实现了生物质与煤共热解过程中VOC动态数据监测和微观反应机理解析的协同分析，对深入认知共热解化学反应和优化工艺条件至关重要。借助实时在线热解体系的二维解析新思路，可以实现对多种类型VOC释放的动态监测、分段回收和污染控制，为生物质与煤炭资源的清洁高效利用提供了有利策略。

应用拓展：提升有机碳高分辨非靶向解析策略

傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT‒ICRMS）非靶向解析技术具有分辨率高和精确度高等优势，已被广泛应用于解析有机碳分子组成和环境行为研究中。团队创新了FT‒ICRMS应用参数和具体表征形式，探究自然水环境中有机碳光化学反应、微生物影响和界面吸附等过程对有机碳分子特征的影响，进而综合分析河流和湖泊中有机碳时空分布差异的驱动因素；系统解析工程水环境中有机碳分子组成特征及其对传统或深度处理工艺的响应差异与典型规律，阐述了有机碳在工程水处理过程中的动态变化及内在机理。同时，团队提出了当前FT‒ICRMS技术应用发展中性能优化、数据解析与数据共享的建议，并对有机碳分子表征和环境行为等未来研究提出了展望。团队采用FT‒ICRMS非靶向技术对有机碳领域的深入研究为认知有机碳在水生态系统中关键效应和作用提供了重要的理论和技术基础。

应用实践：揭示有机碳关键环境地球化学过程

人为碳是全球碳循环的重要组成部分，其环境地球化学行为研究是评估区域乃至全球生态环境质量的重要保障，已成为当前碳循环研究的前沿。同时，水环境中广泛存在的微塑料已成为国际社会和学术界重点关注的环境污染问题。团队采用超高分辨率的傅里叶变换离子回旋共振质谱、紫外光谱和荧光光谱等技术探究了生物质热成有机碳分子组分特征及其与典型污染物（如重金属、微塑料等）相互作用的分子水平机制。研究发现，生物炭源溶解性黑碳与聚氯乙烯微塑料发生独特的分子水平界面反应，成为揭示聚氯乙烯微塑料真实环境行为的重要依据。分子量500Da以下的溶解性黑碳分子组分更易介导聚氯乙烯微塑料环境行为，其中溶解性黑碳中不饱和分子、木质素类分子和浓缩芳香类分子可以优先与聚氯乙烯表面的酚、芳香醚或酰胺官能团发生界面反应。为此，同属于人为碳的生物炭和塑料显著影响地球碳循环的同时，不同类型人为碳之间也正悄然发生协同环境效应，成为碳循环中不可忽视的重要形式。分子水平层面的界面反应观点拓展了人为碳环境效应研究深度，为揭开人为碳如何协同参与碳循环的面纱提供了研究方向。

宋凡浩团队锚定国家“减污降碳”科技需求，落实固废资源化与污染环境风险评估等方向研究。相关成果有助于预测和评估人为源有机碳与污染物的潜在地球化学行为和环境影响，对定向回收生物质能资源，污染在线监测和服务“双碳”目标提供了重要的理论和技术支撑。（王琴）

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