英文原题：Adopting green absorbent for CO₂ capture and agricultural utilization: Biogas slurry and biomass ash case
作者：Feihong Liang, Shihui Wei, Lu Xue, Shuiping Yan*
01 论文信息
论文信息
F. Liang, S. Wei, L. Xue, et al. Adopting green absorbent for CO₂ capture and agricultural utilization: Biogas slurry and biomass ash case[J]. Green Carbon 2024 2(2) 252-261.
论文关键词
Biogas slurry; Biomass ash; CO₂ capture; CO₂ fixation; Agricultural utilization
论文网址
https://doi.org/10.1016/j.greenca.2024.03.001
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中文解读原链接
Green Carbon文章│华中农业大学晏水平教授、榆林学院梁飞虹副教授：沼液耦合生物质灰用于CO₂的绿色捕集及农业利用
02 背景简介
随着人类活动的增加，大气中CO₂浓度也在不断增加。根据世界气象组织（NOAA）的报告，2022年5月大气中的CO₂浓度已达到了420.99 ppm，这是有人类史以来的最高值。CO₂的过量排放不仅带来了一系列的气候灾害，还威胁到人类的健康和社会安定。为了降低CO₂的排放并减缓其对环境的影响，需要采用各种措施来降低碳排放。其中，碳捕集、利用和封存（CCUS）技术为有效的碳减排方法之一。CCUS技术的关键环节在于碳捕集，碳捕集技术包括物理吸附、化学吸收、生物固定和矿物碳化等技术，目前的重点在于降低碳捕集成本。与其他碳减排成本降低技术不同，晏水平教授等人提出的基于沼液的单程CO₂化学吸收技术具有成本低、效率高、环境友好、可实现CO₂农业利用等优点，但也存在沼液吸收剂的CO₂吸收量小等问题需要解决。
近日，华中农业大学晏水平教授和榆林学院梁飞虹副教授在Green Carbon上发表题为“Adopting green absorbent for CO₂ capture and agricultural utilization: Biogas slurry and biomass ash case”的研究论文，文章提出了一种将生物质灰与沼液混合用于吸收CO₂的方法，通过分析在沼液中添加生物质灰后各组分的CO₂吸收能力及混合物中CO₂的存在形式，探究了生物质灰对沼液CO₂吸收能力的强化特性。通过分析混合物各组分的物化性质及元素变化，探究了沼液对生物质灰农业利用潜力的提升作用。本研究不仅为单程CO₂化学吸收技术提供了一种可行的吸收剂，还为沼液与生物质灰的高值化负碳利用提供了可行途径。
03 文章简介
生物质灰耦合沼液对混合物CO₂吸收能力的影响
随着沼液中生物质灰添加量的增加，生物质灰-沼液混合物的CO₂负载能力也不断增加。当生物质灰与沼液的固液重量比达到3:10时，混合物的CO₂负载量增加至818.2±18.9 mmol/kg，且当固液比增加至4:10时基本保持不变；当固液重量比继续增加到5:10和6:10时，混合物的CO₂负载量重新上升，分别达到936.7±59.1 mmol/kg和1064.4±16.1 mmol/kg。相较于纯沼液的CO₂吸收能力（95-120 mmol/kg），通过生物质灰强化后的沼液的CO₂吸收能力大幅提升（图1）。
混合物CO₂吸收能力呈现上述变化的原因主要与吸收剂体系中自由氨含量及Ca²⁺等离子的含量变化有关。当生物质灰少量添加到沼液中时，沼液强的酸碱缓冲性延缓了生物质灰中碱金属氧化物对沼液pH的提升。因此，沼液中的铵根离子并未大量的向自由氨转变。随着生物质灰添加量的不断增加，生物质灰中的CaO等活性金属氧化物的不断浸出，逐渐打破了沼液的缓冲性，导致生物质灰耦合沼液的pH得到增加，从而使沼液中的游离态自由氨的量大幅增加。CO₂可以与沼液中的自由氨反应，也可以与溶解在生物质灰耦合沼液中的Ca²⁺等离子反应，部分CO₂与自由氨的反应还会形成较稳定的氨基甲酸胺，因此，生物质灰耦合沼液对CO₂的吸收能力被迅速提升。
图1. 生物质灰与沼液固液比对沼液体系CO₂吸收量的影响
N在浸出后生物质灰的存在形式
生物质灰与沼液混合后，分离出的浸出后生物质灰中会包含来自沼液中的N元素，拥有了N元素后的浸出后生物质灰的肥效价值得到提升。为了进一步分析浸出后生物质灰中的N元素存在形式，通过水洗和酸洗对N元素含量进行了分析（图2）。由图2可知，在所有固液比中，通过水洗处理从浸出后生物质灰中浸出的N元素含量显著低于酸洗浸出的N元素含量，而酸洗处理从浸出后生物质灰中浸出的N元素含量略低于生物质灰中的TN含量。这表明，来自沼液的N元素除了在离心过程中被浸出后生物质灰吸附及絮凝之外，还在其中形成了难溶于水的物质，甚至可能还有部分N元素难溶于酸，比如被新形成的某种沉淀物所包裹。
查阅文献发现，沼液中离解出来的自由氨可能与生物质灰中的Cu、Zn等金属元素形成络合物，其中铜氨络合物易溶于水，但锌氨络合物在水中溶解度较低，这些络合物会被生物质灰吸附絮凝，因此使得改性生物质灰中的N元素含量得到提升，这也是浸出后生物质灰中Cu、Zn元素含量提升的主要原因。基于此，N在浸出后生物质灰中的可能存在形式有：（I）被吸附的铜氨络合物、NH₄⁺；（II）被絮凝的氨基甲酸胺；（III）难溶于水的锌氨络合物；（IV）被新形成的某种难溶于酸的沉淀物所包裹的NH₄⁺。这些物质共同构成了浸出后生物质灰中的N元素，提升了生物质灰的农业利用价值。
图2. 浸出后生物质灰（IBA）中氮元素的存在形态
富碳生物质灰耦合沼液的农业生态系统固碳潜力
将富碳生物质灰耦合沼液以浸出后生物质灰做基肥，生物质灰强化后的沼液为追肥的形式（此种方式称为IBA处理）应用于番茄种植中，引入土壤的以HCO₃⁻形式存在的CO₂能够被番茄吸收并利用。尽管有研究发现HCO₃⁻在土壤中存在的量不宜过多，但由于IBA处理组的pH非常适宜番茄的根际需求，因此引入的HCO₃⁻不但未对番茄造成威胁，反而促进了番茄的碳固定。由图3可知，尽管IBA处理组种植的番茄干物质中的总碳含量（TC）与可溶性糖含量与复合肥处理无明显差距，但是由于番茄的生物量明显得到提高，因而一株番茄中的TC和可溶性糖含量（SS）得到提升。为了进一步分析原因，也对番茄对引入土壤中的CO₂的固定量占番茄总无机碳利用量的比率（fB）进行了分析。发现IBA处理组番茄的fB较复合肥处理提升了95.1%，这表明IBA处理组提供的富CO₂环境中，番茄大量利用了来自土壤的CO₂，因而使得番茄对土壤中CO₂的利用速率（BIUR）较复合肥处理提升了190.4%，进一步又使得番茄的总无机碳利用速率（WCUR）较复合肥处理提升了124.6%。因而，IBA处理组的番茄比复合肥处理组多固定了17.03±0.66 g-C（FC），固碳量提升了108.2%。
众所周知，植物可以利用来自土壤中的以HCO₃⁻形式存在的CO₂，但大多数研究指出作物对其的利用量非常少。但在本研究中，吸收了CO₂的浸出后生物质灰和生物质灰强化后的沼液为番茄利用HCO₃⁻提供了适宜的根际环境，尽管大量的HCO₃⁻存在于番茄根际环境中，但番茄的根际pH并没有因此而被提升，因此番茄根系在适宜的pH下能够吸收更多的HCO₃⁻用于机体代谢，进而促进了番茄的碳固定。
图3. 番茄对IBA处理引入土壤中的CO₂的固定
总结及展望
基于沼液的单程CO₂化学吸收技术是一种新型的碳捕集技术，其利用沼液作为CO₂吸收剂，将CO₂捕集于沼液中，并随着沼液的农业利用将CO₂封存于农业生态系统之中。该技术不仅可以实现CO₂的捕获和转化，还可以提高沼液资源利用价值。然而该技术还处于发展阶段，如何改良沼液对CO₂的吸收能力，并能保证沼液的农业利用潜力是该技术的发展方向。
04 文章摘要
Abstract
Previously, the once-through CO₂ chemical absorption process by biogas slurry was experimentally verified to offer the unique advantages like low energy consumption, cost-effectiveness, and feasibility of CO₂ fixation in plants. However, this technology also faces some challenges and limitations, including a low CO₂ absorption rate and performance. To improve the effectiveness and reliability of this innovative CCUS technology, this study proposes a novel method to enhance the CO₂ absorption performance without affecting agricultural applications of CO₂ by mixing biogas slurry with biomass ash as the green CO₂ absorbent. The results indicate that when the solid-liquid mass ratio of biomass ash to biogas slurry is 5:10, the CO₂ loading of the biomass ash and biogas slurry mixture (BA-BS) reaches 936.7±59.1 mmol/kg. Furthermore, the pH of the BA-BS remains stable at 6.9, meeting t he rhizosphere pH requirements for plant cultivation. The CO₂ absorption of the BA-BS liquid phase, referred to as improved biogas slurry (IBS), reaches its maximum at 230.4±3.5 mmol/L, which is 126.8% higher than that of the unimproved biogas slurry. The nitrogen content in the BA-BS solid phase, calling improved biomass ash (IBA), also reaches its maximum at 4.24±0.74 mg/g, thereby expanding the agricultural utilization of biomass ash. The most reasonable and effective way of utilizing CO₂-rich mixed biogas slurry and biomass ash involves use IBA as the base fertilizer for tomato cultivation, supplemented later with IBS to promote growth. This optimal application allows for substantial utilization of CO₂, introduced into the tomato cultivation environment by IBA and IBS. The carbon fixation of a single tomato has improved by 108.2%. This study thus provides a feasible solution for high-value negative carbonization of biogas slurry and biomass ash.
05 作者简介
晏水平 教授
晏水平，华中农业大学教授，博士生导师，中国农业工程学会第七届青年科技奖获得者、华中农业大学第十一届“十大青年岗位能手”，《农业工程学报》、《华中农业大学学报》、《中国沼气》等期刊编委。2009年6月毕业于浙江大学，获得动力工程及工程热物理博士学位，2009年7月起任职于华中农业大学。2014年4月至2015年4月在澳大利亚CSIRO Energy Technology进行学术访问交流。主要从事碳捕集、利用和储存（CCUS）相关研究，重点为可再生CO₂吸收剂开发、低能耗CO₂化学吸收技术开发和CO₂农业利用技术创新等，共主持国家自然科学基金、湖北省自然科学基金杰出青年人才项目、国家重点研发计划子课题、华中农业大学创新团队项目、华中农业大学优秀人才培育专项等项目10余项。以第一作者和通讯作者等身份在Environmental Science & Technology、Chemical Engineering Journal、Applied Energy、Journal of Membrane Science、ACS Sustainable Chemistry & Engineering、Energy、农业工程学报、农业机械学报等国内外期刊上发表SCI/EI收录论文100余篇。
梁飞虹 副教授
梁飞虹，榆林学院副教授，Green Carbon青年编委。本硕博均就读于华中农业大学，2022年12月博士毕业于华中农业大学，导师晏水平教授；2019年在英国剑桥大学丘吉尔学院访学，2021年4月到2022年10月在比利时鲁汶大学（KU Leuven）联合培养。2023年1月起在榆林学院任教，主要从事CO₂分离与生态利用相关研究，研究方向包括基于可再生吸收剂的一次性CO₂化学分离技术，低植物生理毒性的可再生CO₂吸收剂开发等。已在Science of the total environment, Environmental & Experimental Botany, Journal of CO₂ utilization等期刊发表论文18篇。2024年入选陕西省青年人才托举计划。主持国家自然科学基金1项、厅局级项目2项，参与国家级、省部级科研项目2项。兼任期刊 Modern Agriculture副编委、期刊《新疆环境保护》青年编委，中国环境科学学会、国际碳捕集学会（IACC）高级会员，是J Environ Manage、西南农业学报等国内外十余本高水平期刊同行评审专家。
06 Green Carbon
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