生物質(zhì)材料能為“雙碳”做什么

實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”的這場仗怎么打?大規(guī)模發(fā)展可再生能源是一個突破點。

 

生物質(zhì)能作為最具潛力的可再生能源，已成為我國僅次于煤炭、石油和天然氣的第四大能源。推進儲量豐富和綠色環(huán)保的生物質(zhì)材料資源化利用，是實現(xiàn)“雙碳”的有效技術途徑，也是我國節(jié)能減排和環(huán)境保護的重要任務，符合當前環(huán)保節(jié)能和低碳經(jīng)濟的需求。

 

應用領域正不斷擴展

 

可資源化利用的生物質(zhì)材料主要包括直接利用光合作用合成有機物的植物，如農(nóng)作物秸稈、稻殼、玉米芯、廢棄木材和城市垃圾等;還包括間接利用光合作用產(chǎn)物而形成的有機質(zhì)，如畜禽糞便、蟹殼、蝦皮和貝殼等，以及光能自養(yǎng)型的原核生物藻類。

 

目前，生物質(zhì)高效綜合利用領域分布在能源、生態(tài)農(nóng)業(yè)、環(huán)境修復、建材等。以能源領域應用為例，包括生物質(zhì)制乙醇和生物質(zhì)發(fā)電。前者是生物質(zhì)高效綜合利用最傳統(tǒng)的途徑，我國2018年生物質(zhì)燃料乙醇產(chǎn)量約為340萬噸，逐漸成為液體燃料的重要組成部分;后者在國家財政補貼的大力支持下，發(fā)電規(guī)模迅速增長，生物質(zhì)發(fā)電量2019年已達1111億千瓦時。

 

以生態(tài)農(nóng)業(yè)領域為例，秸稈還田是重要一環(huán)，重點在于秸稈的收集和就近還田。生物質(zhì)通過堆肥等發(fā)酵方法制備的有機肥，可以有效提高農(nóng)田有機質(zhì)含量和土壤肥力，完善農(nóng)作物根系的生態(tài)系統(tǒng)功能，實現(xiàn)農(nóng)作物優(yōu)質(zhì)增產(chǎn)。

 

生物質(zhì)材料未來的應用領域正向高值化利用方向拓展，如模塊化建材、生物質(zhì)碳纖維、生物質(zhì)儲能材料、生物質(zhì)環(huán)境修復材料等。

 

在模塊化建材方面，秸稈復合墻板、重組木、新型纖維板、木塑復合材料和生物鋼等涉及生物質(zhì)建材的幾大成型產(chǎn)業(yè)，將為建筑行業(yè)裝配式被動房的模塊化、環(huán)保化和節(jié)能化作出重要貢獻。

 

在生物質(zhì)材料還田方面，一些新的應用技術正接近實用化，如生物質(zhì)可降解地膜、生物炭直接還田等正獲得小規(guī)模推廣。

 

在生物質(zhì)碳纖維方面，優(yōu)質(zhì)的生物質(zhì)基碳纖維前驅(qū)體是重要方向。木質(zhì)素含碳量比纖維素高，采用干噴濕紡碳化和熔融紡絲的工藝制備木質(zhì)素碳纖維，提高木質(zhì)素的熱熔性和可紡性是未來的研究趨勢。

 

在生物質(zhì)儲能方面，利用生物質(zhì)材料制備炭材料，用作電池中石墨的替代品，提升鋰離子電池的儲能性能。在生物質(zhì)環(huán)境修復方面，生物炭材料在其中的應用前景也最大。

 

全面走向?qū)嶋H應用任重而道遠

 

然而，生物質(zhì)材料全面走向應用還存在一些問題。開發(fā)哪些種類的生物質(zhì)材料、如何收集這些生物質(zhì)原料、如何大規(guī)模和多途徑地利用生物質(zhì)材料、如何找到生物質(zhì)材料制備的新方法等，都是當前亟待解決的問題。

 

可以制備生物質(zhì)材料的原料種類繁多，篩選時要考慮儲量、成本、性能和工藝等多重因素。目前應用比較廣泛的生物質(zhì)有稻草、秸稈、鋸末、廢棄木材、糞肥、餐廚垃圾、廢舊包裝紙盒等。這些原料大多具有儲量豐富、碳含量高、制備材料工藝簡單等特點。

 

我國生物質(zhì)材料雖然來源廣泛，但是耕地較為分散，農(nóng)業(yè)機械化程度低。以大規(guī)模開發(fā)秸稈為例，全國各地秸稈產(chǎn)量分布不均，收集秸稈需要消耗大量人力物力，由此產(chǎn)生的物流費用是秸稈利用需要考慮的重要因素。因此，推廣秸稈就近利用是其走向大規(guī)模應用的必然趨勢。

 

除此之外，需要不斷更新和發(fā)明生物質(zhì)原料制備低碳環(huán)保材料的新方法。目前研究較多的是單一組分的生物質(zhì)材料，而生物質(zhì)復合材料的研究才剛剛起步，研發(fā)復合材料過程中能否實現(xiàn)精細化生產(chǎn)、使用的各種溶劑是否綠色環(huán)保，都是未來推廣中需要投入研究的重要方面。

 

從管理、經(jīng)濟、技術層面推進

 

盡管生物質(zhì)材料是實現(xiàn)“碳中和”的經(jīng)濟有效技術，但是該研究仍然處于方興未艾階段，有很多工作需要快速推進。

 

從管理層面看，需要大力引導碳中和背景下生物質(zhì)材料的推廣應用，加大生物質(zhì)材料研究開發(fā)的扶持力度和資本投入，通過專項補貼等措施激勵生物質(zhì)低碳固碳利用，并在一段時期內(nèi)能維持補貼政策的穩(wěn)定性和執(zhí)行力度，強化生物質(zhì)材料在碳中和實現(xiàn)路徑中的戰(zhàn)略地位。

 

從經(jīng)濟層面看，將生物質(zhì)材料對碳中和的貢獻納入碳排放交易市場，用生物質(zhì)材料的負碳排放貢獻通過碳排放權(quán)的登記、交易和結(jié)算，獲得的相應回報支付農(nóng)民的燃料收購，可以為鄉(xiāng)村提供更多就業(yè)崗位，符合我國鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，也有利于推進美麗鄉(xiāng)村建設。同時，將生物質(zhì)材料應用的各個領域納入綠色金融支持范圍，扶持生物質(zhì)材料的各個產(chǎn)業(yè)鏈。

 

從技術層面看，需要吸引更多能源、材料、環(huán)保和農(nóng)業(yè)等領域的人才，投身生物質(zhì)材料應用開發(fā)。通過實驗室研究、中試測試和產(chǎn)業(yè)化推廣三者結(jié)合，不斷完善生物質(zhì)材料加工技術的清潔化。針對不同規(guī)模的生物質(zhì)材料利用項目，設計不同的非標準規(guī)范和要求，未來進一步完善生物質(zhì)材料行業(yè)的技術指南、建設規(guī)程和行業(yè)標準，推動行業(yè)持續(xù)快速發(fā)展。

 

開發(fā)利用生物質(zhì)材料，能夠同時實現(xiàn)環(huán)境治理、供應清潔能源和應對氣候變化，具有多重環(huán)境效益和社會效益，符合我國生態(tài)文明建設思想，是實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境保護、建設美麗中國等國家戰(zhàn)略的重要途徑。在“雙碳”背景和“十四五”規(guī)劃開局之際，生物質(zhì)材料將以其綠色環(huán)保、量多價廉、可再生的優(yōu)勢，迎來更為廣泛的發(fā)展。

 

研發(fā)更加清潔的制備方法、優(yōu)化現(xiàn)有的制備工藝、提高復合材料的產(chǎn)率、實現(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)，是未來生物質(zhì)材料研發(fā)有待進一步解決的問題。

 

(作者單位：東華大學環(huán)境科學與工程學院)