木质素/聚乙烯共热解协同机制的多尺度研究：实验、动力学与ReaxFF-MD模拟的整合探索

《Journal of the Energy Institute》：Unraveling the synergistic mechanism of lignin/polyethylene (PE) co-pyrolysis: A multi-scale exploration combining experiments, kinetics and ReaxFF-MD simulations

本文通过热重（TG）分析、动力学计算（FWO、Friedman法）与反应力场分子动力学（ReaxFF-MD）模拟的多尺度方法，系统揭示了木质素与聚乙烯（PE）共热解过程中的协同增效机制。研究发现，木质素与PE相互作用可显著降低活化能，促进无氧焦油生成并抑制含氧焦油，同时通过调控C—C/C—O键断裂行为提升烃类气体产率，为生物质与塑料废弃物的清洁能源转化提供了理论支撑。

　　

¹材料

实验所用木质素（CAS: 9005-53-2）为阿拉丁试剂公司提供的脱碱样品，来源于针叶林与阔叶林，密度1.35 g/cm³，粒径小于150 μm。高密度聚乙烯（HDPE, 80-100目）由中兴科技公司提供，密度0.95 g/cm³。木质素于105°C干燥12小时，PE于60°C干燥6小时后，按1:1质量比物理混合备用。

²热重分析

木质素、PE及其混合物的热重（TG）与微分热重（DTG）曲线如图3所示。木质素热解范围宽达179-744°C，最大失重率0.20 %/min，800°C时仍有45%残留物（归因于芳香环结构稳定性）。PE在窄温区（469-582°C）快速分解，最大失重率28.50 %/min。混合物DTG曲线出现双峰，低温区（341°C）对应木质素主导分解，高温区（496°C）向低温偏移且峰值升高，表明PE促进木质素挥发分释放，木质素酸类物质亦催化PE解聚。

³结论

多尺度研究证实木质素/PE共热解存在显著协同效应：热重与动力学分析显示混合物活化能降低且挥发分释放增强；ReaxFF-MD模拟从原子尺度揭示二次反应阶段PE衍生自由基（H·、C_nH_m·）与木质素碎片结合，促进C—C键断裂而抑制C—O键裂解，最终提升烃类气体产率并优化焦油组分。该工作为生物质与塑料废弃物的资源化提供了理论依据。