通过生物质残渣的解聚反应，利用生物油和2,5-呋喃二甲甲醇实现高质量生物焦的可持续生产：这是钢铁行业实现碳中和的一项创新解决方案

《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》：Sustainable production of high-quality biocoke by bio-oil and 2, 5-furandimethanol from biomass residues depolymerization: a novel solution toward carbon neutrality in steel industry

生物焦炭替代冶金焦炭研究：通过肉桂树残渣热解获得2,5-呋喃二甲醇（BHMF），作为交联剂与生物炭、生物油共聚制备高密度（4.7 MPa抗压强度）生物焦炭，替代率20%时每吨铁产量减排273.96 kg CO?。

　　在当今全球关注气候变化和碳中和的背景下，钢铁行业作为高能耗产业之一，其碳排放问题日益受到重视。据研究显示，钢铁行业所产生的二氧化碳排放占全球工业总排放量的10%-13%。而钢铁生产过程中，焦炭的使用是碳排放的主要来源之一。因此，寻找一种能够替代传统焦炭的环保材料，成为实现钢铁行业低碳转型的关键。

生物炭作为一种来源于生物质热解的碳中性材料，具有可再生、环境友好等优势，被认为是焦炭的潜在替代品。然而，由于生物炭本身的机械性能较弱，难以满足钢铁生产对焦炭高强度和高耐热性的要求，因此其在冶金领域的应用受到了一定限制。为了克服这一难题，科学家们不断探索新的方法，以提升生物炭的性能，使其能够更好地适应钢铁生产的需求。

本研究提出了一种可持续的热解-聚合策略，将樟树（Cinnamomum camphora）废弃物转化为高密度、高强度的生物焦（biocoke）。该方法利用了从樟树废弃物热解过程中产生的2,5-呋喃二甲醇（BHMF）作为聚合剂，促进了生物炭与生物油之间的交联反应，从而形成具有交联结构的生物焦。通过这种策略，所制备的生物焦表现出优异的压缩强度（4.7 MPa）、焦炭反应指数（34.1%）、反应后焦炭强度（56.2%）、机械耐久性（89.28%）以及较高的热值（33.79 MJ/kg），这些性能指标与二级冶金焦相当，显示出其在钢铁生产中的应用潜力。

为了进一步验证这一方法的可行性，研究团队还对其他可能的聚合剂进行了比较分析，包括糠醛、5-羟甲基糠醛（HMF）、呋喃-2,4-二基二甲醇（F2D）、呋喃-3,4-二基二甲醇（F3D）、乙二醇（EG）以及1,3-苯二甲醇（BZO）。通过实验，研究人员发现BHMF在提升生物炭与生物油之间交联反应方面具有独特的优势。这不仅是因为BHMF含有两个羟基，使其在聚缩合反应中表现出良好的反应活性，还因为其共轭呋喃环在与生物油中的大量水分发生水解反应时，能够打开并形成链饱和的二酮结构，从而增强生物焦的机械性能。

研究过程中，团队还探讨了生物焦在钢铁行业中的应用前景。通过对生物焦与传统冶金焦的物理化学性质进行对比，并结合对每吨铁生产过程中生物焦的负碳排放潜力进行估算，研究人员发现，如果将生物焦替代传统冶金焦的20%，每吨铁的生产过程可减少约273.96 kg的二氧化碳排放，相当于减少33.7 kg的冶金焦使用。这一结果不仅表明生物焦在降低碳排放方面具有显著效果，也展示了其在实现钢铁行业低碳生产中的重要价值。

此外，研究团队还通过实验验证了这一方法的可行性。实验过程中，研究人员使用了氮氢混合气氛下的热解-聚合装置，并对反应过程中的各项参数进行了详细记录。实验结果表明，使用BHMF作为聚合剂能够显著提高生物炭与生物油之间的交联程度，从而形成结构更加紧密、性能更优的生物焦。这种生物焦不仅在物理性能上接近传统冶金焦，而且在环境友好性方面具有明显优势，为钢铁行业的可持续发展提供了新的思路。

本研究不仅解决了生物炭在机械性能方面的不足，还为钢铁行业提供了新的碳减排方案。通过将生物质废弃物转化为高密度、高强度的生物焦，不仅可以有效减少钢铁生产过程中的碳排放，还能够实现资源的循环利用，推动绿色制造的发展。这一方法的提出，为钢铁行业在实现碳中和目标的过程中提供了可行的技术路径，同时也为其他高碳排放行业提供了借鉴。

值得注意的是，随着全球对可再生能源和可持续材料的需求不断增加，生物质废弃物的利用也逐渐成为研究热点。据相关数据，全球每年可获得的生物质资源约为19万亿吨，而生物质的使用比例在2011年至2023年间从13%上升到了40%，预计未来仍将持续增长。这一趋势表明，生物质废弃物的高效利用具有广阔的前景，而生物焦作为其中的一种重要形式，其开发和应用对于推动绿色能源转型具有重要意义。

通过本研究，团队不仅揭示了BHMF在生物焦制备中的关键作用，还为理解生物炭与生物油之间的交联反应机制提供了新的视角。研究人员发现，BHMF能够作为模板，揭示生物焦在微观层面的结构变化，从而为优化生物焦的性能提供理论支持。这一发现不仅有助于提高生物焦的制备效率，也为进一步研究生物炭的改性方法提供了新的思路。

此外，研究团队还对实验过程中可能产生的副产物进行了分析。在热解过程中，生物质废弃物会产生多种产物，包括生物炭、生物油和生物气体等。其中，生物油含有丰富的含氧官能团，如醛类、单糖、酚类和羧酸等。这些含氧官能团在加热过程中表现出良好的反应活性，能够与生物炭发生聚合反应，从而提高生物焦的性能。然而，部分生物油成分在与生物炭发生聚合反应之前已经蒸发或分解，导致最终形成的生物炭聚合物性能受限。因此，引入聚合剂是提高生物炭聚合物性能的关键因素之一。

本研究通过引入BHMF作为聚合剂，成功克服了这一问题。实验结果显示，BHMF不仅能够促进生物炭与生物油之间的交联反应，还能够显著提高生物焦的机械性能和热值。这表明，BHMF在生物焦制备过程中具有独特的功能，能够有效提升生物焦的性能，使其更接近传统冶金焦的要求。同时，这一方法也为其他类似材料的改性提供了参考，展示了其在环保材料开发中的应用潜力。

在实验过程中，研究人员还对不同聚合剂的使用效果进行了比较。通过分析不同聚合剂对生物炭与生物油之间交联反应的影响，团队发现BHMF在提升交联程度方面表现最为优异。这不仅是因为其分子结构具有良好的反应活性，还因为其能够促进生物油中的含氧官能团与生物炭之间的相互作用，从而形成更加紧密的交联结构。相比之下，其他聚合剂如糠醛和HMF虽然在一定程度上能够促进交联反应，但其效果不如BHMF显著。

此外，研究团队还对生物焦的微观结构进行了分析。通过扫描电镜和X射线衍射等手段，研究人员发现生物焦的微观结构与传统冶金焦相似，具有良好的孔隙结构和晶体排列。这一结构特征不仅有助于提高生物焦的机械性能，还能够增强其在高温环境下的稳定性。因此，生物焦在钢铁生产中的应用具有较高的可行性，能够有效替代传统冶金焦，实现低碳生产。

综上所述，本研究通过一种可持续的热解-聚合策略，成功将樟树废弃物转化为高密度、高强度的生物焦。该方法不仅提高了生物焦的性能，还为钢铁行业的碳减排提供了新的解决方案。通过引入BHMF作为聚合剂，研究人员不仅克服了生物炭在机械性能方面的不足，还为理解生物焦的形成机制提供了新的视角。这一研究为钢铁行业的绿色转型提供了理论支持和技术路径，同时也为其他高碳排放行业提供了借鉴。未来，随着对环保材料需求的不断增加，生物焦的开发和应用有望在更多领域得到推广，为实现全球碳中和目标做出贡献。