废弃食用蘑菇基质：循环经济中的新型绿色能源来源

自工业革命以来，社会的碳消耗速度呈指数级加速。目前超过85%的一次能源来自化石燃料（煤、石油和天然气）的燃烧。然而，从环境角度来看，严重依赖化石燃料是不可取的。人为二氧化碳（CO2）扰乱了天然CO2的复杂循环，而这种干扰是全球变暖的主要原因之一。与生物原油相比，从生物质中分离和纯化合成气更容易。此外，合成气已经被用于多种应用，例如发电和化学合成。来自韩国汉阳大学Eilhann E.Kwon的课题组最新的研究Valorizing spent mushroom substrate into syngas by the thermo-chemical process 选择用蘑菇基质（SMS）作为农业废弃物生物质的模型。蘑菇因对健康饮食的快速增长的需求而广受欢迎。2020 年，全球蘑菇市场规模为1435万吨，预计到2028年将增长到 2405 万吨。每年生产大约7000万吨 废弃蘑菇基质（SMS）。SMS 的热化学工艺为实现废物转化为能源的概念提供了一种战略方法。

摘要

SMS

SMS是指废弃蘑菇基质是蘑菇种植后遗留下的培养基。蘑菇基质通常由稻草、木屑、稻壳、麦麸等农业残留物制成。这些基质在蘑菇生长过程中仅消耗大约20%的营养物质，其余80%则作为废弃物留下。虽然SMS看似无用，但其中仍然富含丰富的纤维素、半纤维素和木质素，具备较高的生物质转化潜力。

热解过程如何利用SMS？

热解是一种将生物质在高温下分解为气体、油和固体残留物的过程。研究人员发现，通过采用CO2作为反应气体，SMS在热解过程中可以转化为合成气（主要是一氧化碳和氢气的混合物），这为清洁能源的生产提供了新方法。

在该研究中，SMS被加热至500°C以上，CO2作为反应气体进入，触发了气相反应（GPR），从而大幅提高了CO的产量（如图1所示）。相比于常规的热解方法，加入CO2不仅使得SMS的碳利用率更高，还减少了残留的固体废弃物。这一过程中的关键反应是“Boudouard反应”，该反应使得碳与CO2反应生成CO，这一机制被认为是提高合成气产量的核心。

图1 惰性气体条件下（a）纤维素/半纤维素/木质素和（b）用蘑菇底物（SMS）的质量变化及其降解速率

二氧化碳：不仅是污染物，还是反应原料

虽然CO2通常被视为导致气候变化的温室气体，但在SMS的热解过程中，它起到了至关重要的作用。CO2在高温下与SMS分解出的挥发性有机物发生反应，从而大幅增加了CO的生成量（如图2所示）。这种反应不仅提高了气体产物的质量，还减少了固体残留物的生成量。更令人惊喜的是，通过引入CO2，热解过程中的碳分布发生了改变，大量的碳从液态油相转移到了气体相，使得生成的合成气更加清洁且更易于利用。

图2 （a）N2/CO2和（b）空气下SMS的质量变化及其降解速率

催化热解是一种改进的工艺，相比于传统的热解过程，加入镍催化剂后，SMS的碳利用率得到了显著提升（如图4所示）。在实验中，合成气中的氢气和一氧化碳的产量分别增加了2.3倍和1.3倍。这一结果表明，镍基催化剂在促进挥发性有机物的脱氢反应方面表现出色。同时，镍催化剂还通过逆水煤气变换反应（rWGS）进一步提高了一氧化碳的生成量。

图4 在N2/CO2下（a）SMS 的两步热解和（b）SMS的催化热解中的主要热解气体（H2、CO、CH4和C2-HCs）的浓度分布

利用SMS进行能源转化环保与经济效益的双赢

利用SMS生产合成气不仅具有环保效益，还具备显著的经济潜力。通过该技术，SMS的年产量可以转化为约320万吨合成气，折合市场价值超过3200万美元。这种基于农业废弃物的清洁能源生产方法，既减少了废弃物对环境的负担，也为能源生产提供了新的思路。

SMS的热化学处理为农业废弃物的循环利用提供了新方向。通过加入CO2和镍基催化剂，SMS可以高效转化为合成气，帮助提升碳的利用率。该技术不仅为废弃物的处理提供了环保解决方案，还为实现能源可持续发展提供了重要的技术支持。这项研究为农业废弃物的高效转化与能源生产开辟了新途径，具有广阔的应用前景。