利用单纯形-重心混合设计（simplex-centroid mixture design）和主成分分析（principal component analysis）方法，优化龙舌兰剑麻渣（Agave sisalana bagasse）与多层塑料薄膜废弃物共热解过程中产生的碳氢化合物产量，以实现可持续燃料生产

《Renewable Energy》：Optimizing hydrocarbon yield from co-pyrolysis of Agave sisalana bagasse and multilayer plastic film wastes for sustainable fuel production using simplex-centroid mixture design and principal component analysis

本研究采用单中心混合设计（M-DoE）与主成分分析（PCA）优化诺蒂烯袋壳与两种多层聚乙烯薄膜（PFA和PFE）的共热解工艺，发现50%袋壳与50%PFA的配比可获得最高91.39%的烃类产物，较单独热解提升2.97倍，有效降低氮氧化合物并促进循环经济。

　　随着全球人口的快速增长，人类活动的加剧导致了对地球自然资源的消耗不断上升，进而引发了严重的环境问题。这一趋势直接促使了对可持续解决方案的迫切需求，特别是在能源转型和交通领域去碳化方面。因此，研究替代燃料的生产，以减少对化石燃料的依赖，成为了一个重要的科学课题。本研究聚焦于一种创新性的方法——将阿加维 sisalana（ sisal）的甘蔗渣与两种多层塑料废弃物进行共热解，这些塑料废弃物分别是带有铝层的聚乙烯薄膜（PFA）和带有乙烯-乙烯醇共聚物层的聚乙烯薄膜（PFE）。通过这种方法，研究人员希望探索如何通过材料的组合优化热解产物的组成，并进一步推动“废弃物变能源”理念的发展。

在研究过程中，实验采用了微热解装置，并结合气相色谱-质谱联用技术（Py-GC/MS），以实现对热解过程中挥发性产物的详细分析。此外，实验还应用了简单中心混合设计（simplex centroid mixture design）来优化不同原料的配比，并通过主成分分析（PCA）来解释实验数据。这种方法不仅有助于理解热解过程中产物的分布，还能够揭示主导的反应机制，从而为未来的规模化应用提供理论支持。

在实验结果中，单独对 sisal 甘蔗渣进行热解时，氧气化化合物的产率达到了58.78%。然而，当与50%的PFA混合进行共热解时，产物中脂肪烃的含量达到了91.39%，相比单独热解的产物，其产率提高了2.97倍。这一结果表明，PFA在与 sisal 甘蔗渣共热解过程中表现出更强的协同效应，而PFE的协同效果则相对较弱。这可能与两种塑料材料的化学组成和热解行为有关，其中PFA的氢碳比（H/C）较高，这有助于在热解过程中促进脂肪烃的形成。

从环境角度来看，sisal 甘蔗渣的热解产物往往含有较高的氮化和氧化化合物，这导致了产物的酸性和腐蚀性，使其不适合作为燃料使用。因此，通过共热解的方式，将生物质与塑料废弃物结合，有望改善热解产物的特性，使其更接近理想的燃料组成。这一策略不仅能够提高能源利用效率，还能够减少废弃物的产生，降低对自然资源的依赖，从而推动循环经济的发展。

sisal 甘蔗渣作为一种丰富的生物质资源，在巴西的年产量约为800,000吨，主要集中在巴西利亚、帕拉伊巴、塞阿拉和里约格兰德杜诺特等州。其中，sisal 叶片的4%可以用于商业纤维的生产，而剩余的96%则被分为 sisal 汁（80%）、短纤维（1%）和甘蔗渣（15%）。这些废弃物的大量存在，给环境带来了潜在的威胁，因为它们具有较高的有机负荷，并且容易发生发酵过程，产生甲烷等温室气体。因此，如何有效处理这些废弃物，将其转化为有价值的资源，成为了一个亟待解决的问题。

塑料废弃物，尤其是多层聚乙烯薄膜，由于其结构中含有铝层或乙烯-乙烯醇共聚物层，使得其回收和再利用面临较大的挑战。这些材料通常含有多种添加剂，如稳定剂、染料和粘合剂，这不仅增加了回收的难度，也提高了成本。因此，将这些废弃物作为共热解的原料，不仅能够提高热解产物的能源价值，还能够减少对环境的污染，同时为废弃物的可持续管理提供新的思路。

本研究的创新之处在于，首次将简单中心混合设计与主成分分析相结合，以探索 sisal 甘蔗渣与塑料废弃物的最佳配比。通过这种方法，研究人员能够构建预测模型，以评估不同配比对热解产物组成的影响。同时，这种方法也能够减少氮化和氧化化合物的含量，提高脂肪烃的产率，从而为未来研究提供新的方向。此外，该研究还提出了一个可行的工艺方案，用于处理 sisal 甘蔗渣和工业塑料包装废弃物，这些废弃物在目前的处理过程中存在较大的困难，因此需要新的技术手段来实现其有效利用。

从社会和环境角度来看，该研究的成果具有重要的意义。通过共热解技术，sisal 甘蔗渣和塑料废弃物可以被转化为燃料，从而减少化石燃料的使用，降低碳排放，缓解全球气候变化的压力。同时，这一技术的应用也能够促进可持续能源的发展，提高能源生产的环保性，并为实现联合国可持续发展目标（SDGs）提供支持。例如，该研究有助于确保可再生能源的获取，促进城市和人类聚居地的可持续发展，推动可持续消费和生产模式，支持应对气候变化的行动，并提供减少水体和陆地污染的有效策略。

此外，该研究还强调了实验设计（DoE）在优化共热解过程中的重要性。通过系统化的实验设计，研究人员能够更全面地评估不同原料配比对热解产物组成的影响，并进一步优化工艺参数。这种系统化的研究方法不仅提高了实验的科学性和准确性，还能够减少实验成本，提高研究效率。同时，该研究还表明，共热解技术可以作为一种更具经济可行性的替代方案，以提高热解产物的能源价值，而无需依赖昂贵的催化剂或复杂的工艺流程。

总的来说，本研究不仅为共热解技术在替代燃料生产中的应用提供了新的视角，还为废弃物的可持续管理提供了科学依据。通过结合简单中心混合设计和主成分分析，研究人员能够更有效地探索不同原料配比对热解产物组成的影响，并为未来的规模化应用提供理论支持。同时，该研究也强调了在能源生产过程中，减少对化石燃料的依赖，推动可持续发展的重要性。这些成果不仅具有重要的科学价值，还能够为实际应用提供指导，推动“废弃物变能源”理念的进一步发展。