通过废物转化技术生产甘蔗废弃物颗粒，以实现可持续的沼气升级

《Bioresource Technology Reports》：Production of sugarcane-waste-derived pellets through a waste valorisation approach for sustainable biogas upgrading

本研究利用甘蔗废渣制备复合颗粒吸附剂（AP25:100）去除沼气中的CO?和H?S。通过批吸附实验和动态穿透测试，发现AP25:100对CO?和H?S的吸附容量分别为107 mg/g和7.25 mg/g，吸附机制以化学吸附为主，其结构为介孔多孔材料。经济评估显示生产成本为8697美元，较传统活性炭更具经济性。该研究验证了甘蔗废渣资源化制备高效吸附剂的技术可行性。

　　

格洛丽亚·埃布贝·乌瓦亚（Gloria Ebube Uwaya）、普拉维特·孔詹（Prawit Kongjan）、阿利萨拉·伦桑（Alissara Reungsang）、拉塔娜·贾里亚布恩（Rattana Jariyaboon）

泰国帕塔尼宋克拉亲王大学（Prince of Songkla University, PSU）科学与技术学院生物质量转化为能源和化学品（Bio-MEC）研究组，邮编94000

摘要

沼气中存在二氧化碳（CO₂）和硫化氢（H₂S），由于其低热值、对金属部件的腐蚀性以及加剧大气污染的作用，限制了其在发动机中的应用。因此，去除沼气中的CO₂和H₂S可以提高沼气质量，并有助于实现更环保的目标。本研究探讨了以甘蔗渣（SCW）为基础的颗粒作为沼气提纯吸附剂的性能，这些颗粒由不同比例的甘蔗渣灰分、过滤饼和过滤压榨残渣制成（分别称为SBA、SFC和SFP），并在100°C和300°C下进行干燥。使用合成气体对八种吸附剂进行了批次吸附实验，结果显示AP25:100组合对CO₂和H₂S的吸附能力最强。进一步的研究表明，在流速为0.2 L/min的情况下，该组合从牛粪沼气中吸附CO₂的量为22.5 mg/g，吸附H₂的量为5.45 mg/g。CO₂和H₂的吸附过程可用Freundlich等温线和Elovich动力学模型很好地描述，且R²值符合预期，表明吸附过程主要依赖于化学吸附作用。BET分析显示AP25:100颗粒具有介孔结构。此外，还进行了初步的经济评估，结果表明这种颗粒适用于小型家庭或社区企业，生产成本为8697美元，售价低于低等级活性炭。本研究证明了将甘蔗废弃物转化为高效沼气提纯吸附剂的可行性，从而提升了甘蔗废弃物的经济价值。

引言

沼气是一种由甲烷（CH₄，50–75%）、二氧化碳（CO₂，25–50%）、氮气（N₂，0–10%）、氢气（H₂，0–1%）和硫化氢（H₂，0–3%）组成的混合气体，通过生物质厌氧消化产生（Aghel等人，2022年）。近年来，作为可再生能源和减少垃圾填埋场CH₄排放导致的空气污染以及缓解CO₂引起的全球变暖的策略，沼气产量有所增加。然而，沼气中含有的CO₂和H₂S具有负面影响：H₂会腐蚀燃气管道、发动机和催化转化器（Garcia-Perez等人，2023年；Khan等人，2021年），而CO₂会降低沼气的热值并增加其作为燃料的使用成本（Aghel等人，2022年）。因此，去除CO₂和H₂对于提升沼气质量至关重要，这需要通过清除这些杂质来实现。

已有多种技术用于去除沼气中的CO₂和H₂，包括化学吸收（胺洗涤）、膜分离和固体吸附（Keawkumay等人，2024年；Promnuan等人，2025年）。其中，固体吸附因操作简便、成本效益高、可再生和重复使用、适用温度范围广、无化学泄漏风险以及低毒性而备受青睐（Guo等人，2020年；Keawkumay等人，2024年；Sukkathanyawat等人，2022年）。多种吸附剂已被用于沼气提纯，如沸石、活性炭、催化剂、金属氧化物、金属有机框架、聚合物和农业生物质基材料（Aghel等人，2022年；Keawkumay等人，2024年；Petrovic等人，2024年；Promnuan等人，2025年）。

农业生物质基吸附剂，特别是来自油棕纤维和壳、甘蔗渣灰分、椰壳、石榴皮、玉米芯、坚果壳和小麦秸秆的吸附剂，在沼气提纯方面展现出巨大潜力（Aghel等人，2022年；Rattanaya等人，2022年）。这归因于它们优异的孔结构、高比表面积、低成本、环保性以及无化学残留（Aghel等人，2022年）。废弃物转化技术因环保、可持续性和经济可行性而受到广泛关注（Ungureanu等人，2022年）。在甘蔗产业中，废弃物转化有助于减轻垃圾填埋场产生的大量废弃物对环境的影响，并提升其经济价值。

甘蔗渣灰分（SBA）是甘蔗渣高温（600°C）共热和燃烧后的残留物。大量SBA被排放到垃圾填埋场，造成环境污染。研究表明SBA适用于吸附染料（Adane等人，2022年）、农药（Barbosa等人，2023年）、药物（Rattanachueskul等人，2022年）、有毒化合物（Andrade Siqueira等人，2020年）、H₂S（Garcia-Perez等人，2023年）以及垃圾渗滤液中的氨和氮（Mor等人，2019年）。甘蔗过滤饼（SFC）和甘蔗过滤压榨残渣（SFP）是糖生产过程中的副产品。SFC是一种深棕色的沉积物和污泥混合物，主要含有纤维、CaO、P₂O₅、Fs₂O₃和SiO₂（Pajampa和Wongwuttanasatian，2023年；Rabelo等人，2015年）。SFP是在精制糖生产过程中的澄清和过滤阶段产生的残留物，当CO₂进入未精制糖的熔融溶液中时，会析出碳酸钙（CaCO₃（Boyetey等人，2023年）。SFP的主要成分是CaO。先前的研究报道了用铝铁浸渍的SFC生物炭作为磷去除剂（Sornhiran等人，2021年）。这些甘蔗废弃物（SCW、SBA、SFC和SFP）的吸附性能主要归因于其表面存在的二氧化硅（SiO₂）和镁（Mg）、钾（K）、钙（Ca）及铁（Fe）氧化物，这些成分赋予了它们多孔结构。因此，探索这些材料以颗粒形式用于沼气提纯（去除CO₂和H₂S）的吸附潜力具有重要意义。

有研究报道使用橡胶木灰和NH₄CO₃（分别作为粘合剂和孔形成剂）制备颗粒吸附剂，用于去除沼气中的H₂，吸附能力达到3.66–3.88 mg/g（Promnuan等人，2025年）。另一项研究通过热压榨松木屑制备颗粒，并用于吸附CO₂，吸附能力为94.2 mg/g（Vivo-Vilches等人，2017年）。还有研究使用小麦麸皮底灰颗粒吸附CO₂，吸附能力为3.08 mg/g（Lira-Zú?iga等人，2016年）。还有研究使用添加少量粘土和聚乙烯醇的木灰混合物作为粘合剂，在600°C下煅烧，用于去除糖蜜洗涤液中的黑色素（Ramezani等人，2011年）。与化学洗涤剂或合成吸附剂相比，甘蔗废弃物颗粒具有可生物降解性、可持续性（由于甘蔗废弃物丰富）、环保性（无有害化学物质）和成本效益。目前文献中尚未报道使用SBA和SFP混合物或SBA、SFC和SFP组合制备的颗粒作为CO₂和H₂吸附剂的应用。

本研究旨在使用SBA、SFC（作为孔形成剂）和SFP（作为粘合剂）的复合材料，在不同含水量和干燥温度下制备成本效益高的颗粒吸附剂，并评估它们在去除CO₂和H₂等杂质方面的性能。这些杂质通过富含金属氧化物的甘蔗废弃物颗粒吸附去除，这些颗粒具有与CO₂和H₂发生强烈化学相互作用的特性。此外，这些颗粒具有介孔结构，可通过化学吸附或物理吸附机制捕获CO₂和H₂。选择SFP作为粘合剂是因为其细小颗粒在适当水分条件下具有粘性，有利于气体吸附。由于SFP中含有CaO，因此无需额外添加粘合剂。使用甘蔗废弃物制备颗粒的意义在于其孔结构、化学成分、低成本、无毒性和环保性。水分有助于颗粒形成过程中的均匀化，并影响最终颗粒的孔隙率。颗粒的形成有助于提高气体传输效率，降低压力损失，从而提高吸附能力（Promnuan等人，2025年）。Lira-Zuniga等人也发现颗粒化的小麦麸皮底灰吸附剂具有更高的吸附能力（3.08 mg/g，而非颗粒化形式为2.64 mg/g（Lira-Zú?iga等人，2016年）。颗粒化还改善了甘蔗残渣的物理性质，提高了处理性能、机械稳定性和运输效率。尽管由于甘蔗渣灰分含量较高（约80%），体积密度增加不明显，但颗粒化显著减少了灰分和粉尘的扩散，从而便于储存和操作。通过SEM、BET、EDS、FTIR和CHNS/O分析了优化后的吸附剂（AP25:100，由SBA和SFP制成，含水量25%，干燥温度100°C）对CO₂和H₂的吸附性能。还研究了该吸附剂在5 g和10 g用量下对牛粪沼气的吸附效果，并探讨了CO₂和H₂的吸附等温线和动力学。这是首次报道使用SFP作为粘合剂、SFC作为孔形成剂与SBA结合制备复合颗粒，同时去除实际沼气中的CO₂和H₂。

材料与试剂

甘蔗渣灰分（SBA）来自甘蔗锅炉，甘蔗过滤饼（SFC）来自糖磨工艺，甘蔗过滤压榨残渣（SFP）来自糖精炼工艺，均来自泰国孔敬的一家糖厂。实验使用的合成沼气含有70%的CH₄、28%的CO₂和2%的H₂；此外还使用了来自牛粪消化器的沼气，其中含有52.67%的CH₄、47.08%的CO₂和H₂

元素分析

表1总结了元素分析结果，包括水分（MC）、挥发分（VC）、灰分（AC）和固定碳（FC）以及高位热值（HHV）。Kartika等人（2022年）报告SBA的MC为51.94%，另一项研究（Kanawade和Gaikwad，2011年）为5.10%。本研究中SBA的MC为8.48%，在文献报道的范围内（5.10–51.94%）。文献中称SFP和SFC为过滤压榨残渣，其MC范围为3.52–60%

结论

从甘蔗厂获得的原始甘蔗废弃物（SBA、SFC和SFP）被制成不同比例和温度的颗粒，随后用于去除沼气中的CO₂和H₂。批次吸附实验表明AP25:100吸附剂的性能最佳，其对CO₂的吸附能力为107 mg/g，对H₂的吸附能力为7.25 mg/g。因此，该吸附剂被用于连续去除CO₂和H₂

作者贡献声明

格洛丽亚·埃布贝·乌瓦亚（Gloria Ebube Uwaya）：撰写初稿、可视化处理、验证、方法设计、实验实施、数据分析、概念构建。普拉维特·孔詹（Prawit Kongjan）：撰写、修订与编辑、方法设计、概念构建。阿利萨拉·伦桑（Alissara Reungsang）：撰写、修订与编辑、方法设计、概念构建。拉塔娜·贾里亚布恩（Rattana Jariyaboon）：撰写、修订与编辑、监督、方法设计、数据分析、概念构建。

未引用参考文献

Aslam等人，2015年

利益冲突声明

作者声明无已知利益冲突。

致谢

本研究得到了泰国国家研究委员会（NRCT）的资助，资助编号为N42A670487。