新技术将废水转化为可持续航空燃料，排放量有望减少 70%

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可持续航空燃料由生物质和农业废弃物等可再生材料制成，具有巨大的潜力，有助于实现航空业脱碳。但尚未得到广泛采用。
可持续航空燃料(SAF) 占航空业燃料使用量的不到 1% ，而航空燃料贡献了全球温室气体 (GHG) 排放量的约 3%。生产比化石基航空燃料更节能、更便宜、更具成本竞争力的 SAF 对广泛的商业使用至关重要。
现在，阿贡国家实验室的科学家开发出一种新技术，可以制造出具有成本竞争力的 SAF，可将航空业的温室气体排放量减少高达 70%。阿贡的生命周期和技术经济模型用于分析 SAF 的环境影响和经济可行性。
《ACS可持续化学与工程》的研究表明，新型甲烷抑制厌氧消化（MAAD）技术可将高强度有机废水转化为挥发性脂肪酸，进而可升级为SAF。
阿贡国家实验室博士后研究员吴浩然表示，作为 SAF 生产的关键前体，挥发性脂肪酸可以在航空业脱碳过程中发挥关键作用。
“废物流中的挥发性脂肪酸可以使生物燃料生产更具成本效益和可持续性，”吴说。“阿贡的新技术使用膜辅助生物反应器来提高挥发性脂肪酸的产量。”
这项研究推进了美国能源部可持续航空燃料大挑战中提出的目标，该目标旨在到 2030 年将可持续航空燃料的产量提高到 30 亿加仑。目标是到 2050 年生产足够的燃料以满足 100% 的商用喷气燃料需求。
将废物流转化为生物燃料
生物燃料对难以实现电气化的航空等行业来说具有脱碳需求。将生物质转化为生物燃料是一个复杂的过程，涉及用作原料的有机材料的变量，以及满足燃料规格的转化、分离和净化技术。
科学家们不再依赖脂肪、油和油脂等更传统的资源，而是利用酿酒厂和奶牛场产生的富含碳的废水作为其创新技术的原料。这项技术的一个关键进步是，它从这些高强度的废物流中剥离有机碳，而这些废物流很难以经济高效的方式处理。
“这两种废水都富含有机物，使用传统的废水处理方法处理它们会产生大量碳，”研究作者、阿贡能源系统分析师 Taemin Kim 表示。“通过使用我们的技术，我们不仅可以处理这些废水，还可以为航空业制造低碳可持续燃料。”
阿贡国家实验室的技术还在将这些废物流转化为SAF方面开辟了新局面。
厌氧消化是一种成熟的技术，可将生物质转化为甲烷，然后再转化为生物燃料。MAAD 技术由阿贡国家实验室可持续材料和工艺部门经理 Meltem Urgun Demirtas 开发，专注于生产挥发性脂肪酸（如丁酸）和乳酸。
然而，乳酸限制了挥发性脂肪酸生产SAF。阿贡MAAD技术克服了这一限制，提高了挥发性脂肪酸的产量。
“乳酸会降低挥发性脂肪酸转化为 SAF 时的碳效率，”吴说。“因此，将转化过程从乳酸转向挥发性脂肪酸生产是关键。”
在另一项新颖的创新中，科学家开发了一种电化学分离方法来增强膜辅助 MAAD 技术。
该研究的首席研究员 Urgun Demirtas 说：“我们开发了一种原位产品回收工艺，以增加膜辅助消化器的停留时间，这使得微生物群落具有丰富的丁酸生产者，并提高了酸的生产率和浓度，从而降低了酸的生产成本和酸的毒性。”
分析经济和环境影响
利用实验数据，科学家使用阿贡国家实验室先进的模拟和建模工具设计了三种可能的废物转化为SAF的途径，并将它们与由化石燃料生产的传统喷气燃料进行了比较。
利用这些过程模型，科学家对这些途径进行了技术经济和生命周期分析。生命周期分析是使用阿贡国家实验室的研发温室气体、受管制排放和技术能源使用 (R&D GREET) 模型进行的，以评估从生产到最终使用的温室气体影响。
科学家表示，与传统航空燃料相比，废物转化为航空燃料的途径显著减少了碳排放。在 SAF 典型生物原料需求短缺的情况下，这项研究还扩大了较少使用的废料的使用范围。
尽管研究仍将继续，但最终科学家希望将正在申请专利的工艺商业化，并扩大该技术的规模以实现广泛应用。
吴说：“设计一种膜辅助技术，以与传统航空燃料相当的成本实现温室气体减排 70%，是一项重大进步。”
“我们将继续致力于提高可持续性，并开始探索与我们的技术一起使用的其他原料。”
阿贡国家实验室首席能源系统分析师 Pahola Thathiana Benavides Gallego 也担任该研究的首席研究员。