低化学预处理对火炬松树皮微波热解生物炭特性的调控机制研究

《Environmental Technology & Innovation》：Impact of low-chemical storage pretreatment of loblolly pine bark on biochar from microwave pyrolysis

本研究针对森林残余物树皮高灰分和碱土金属(AAEM)含量限制热化学转化效率的瓶颈问题，探讨了厌氧储存条件下低强度化学预处理对火炬松树皮微波热解的影响。研究发现1% H2SO4处理两周可显著降低AAEM含量35.7%，提高生物油产率11%，并获得具有更高碳含量、更大比表面积和增强热值的优质生物炭。该研究为树皮废弃物的高值化利用提供了创新技术路径。

　　

在全球推动绿色能源转型的背景下，森林残余物的高效利用已成为生物经济领域的重要议题。作为木材加工的主要副产物，树皮约占树木干重的9-15%，全球年产量高达4亿立方米，却大多被填埋或直接焚烧，不仅造成资源浪费，还带来环境压力。树皮利用面临的核心困境在于其高灰分和碱土金属(AAEM)含量，这些无机成分在热化学转化过程中会导致催化剂中毒、设备腐蚀、结渣等问题，严重制约转化效率。

爱达荷大学化学与生物工程系的研究团队在《Environmental Technology》上发表了一项创新性研究，他们巧妙地将储存过程与温和化学预处理相结合，探索了厌氧储存条件下低强度化学处理对火炬松树皮微波热解特性的影响。这一研究思路突破了传统预处理方法能耗高、工艺复杂的局限，为树皮废弃物的增值利用开辟了新途径。

研究团队采用了几项关键技术方法：首先通过分级采样确保实验材料的代表性，随后在厌氧环境中进行化学预处理，分别使用稀硫酸(0.1%和1% w/w)和氢氧化钠(4% w/w)处理，模拟生物精炼厂堆存条件；利用微波热解系统在500°C下进行快速热解，通过热重分析(TGA)、X射线荧光光谱(XRF)和比表面积分析(BET)等手段全面表征原料和产物的理化特性；最后采用统计学方法验证实验结果的显著性。

3.1. 储存条件对物料平衡和pH的影响

研究发现，所有处理条件下，两周储存的干物质损失(DML)均高于一周，但最大损失仅4.5%(0.1% H₂SO₄处理两周)，表明化学处理未导致显著生物质降解。滤液pH分析显示，酸处理样品的pH值高于处理溶液，而碱处理样品的pH值显著降低，说明化学添加剂与树皮间存在强烈相互作用。

3.2. 储存前后树皮的工业分析

热重分析表明，1% H₂SO₄处理两周后灰分含量显著降低，与未处理对照相当。NaOH处理使灰分增加约3%，同时降低挥发分含量，这解释了为什么碱处理导致生物炭产率增高而生物油产率降低。

3.3. 储存前后树皮的元素分析

元素分析显示，对照和0.1% H₂SO₄处理的碳含量增至58%，高于原生树皮的52%。所有经历明显干物质损失的储存条件都导致氧含量低于原生树皮。H/C和O/C比率的降低表明材料能量密度提高，其中对照和0.1% H₂SO₄处理具有最高的能量密度(约21.7 MJ/kg)。

3.4. 树皮的高位热值

高位热值(HHV)变化与储存过程中的物料损失密切相关。对照和0.1% H₂SO₄处理的热值最高，比原生树皮提高约3 MJ/kg，而高酸浓度和碱处理对热值改善不明显。

3.5. 无机物含量

XRF分析显示，SiO₂是主要无机成分。酸处理显著降低了K₂O、MgO和CaO含量，其中1% H₂SO₄处理对K₂O、MgO和CaO的去除效果最佳。硅去除不受任何储存或处理条件的直接影响。

3.6. 微波热解产物分析

酸处理树皮的热解液体产率最高，而碱处理使产率降低达40%。气体产率在原生树皮和酸处理树皮中最低，在储存对照和碱处理中最高。生物炭产率在各处理间无明显趋势。

3.7. 生物炭特性

酸处理生物炭具有更高的碳含量、更低的O/C和H/C比率、更大的比表面积和改善的能量特性。1% H₂SO₄处理生物炭的燃料比最高(2.68-2.76)，能量增密值最高(1.56-1.64)，热解炭R₅₀值表明其属于A类生物炭，具有最小的生物降解敏感性。

该研究的核心发现表明，将温和化学调理与厌氧储存相结合的新颖方法，能够有效改善树皮原料质量并调控生物炭特性。特别值得注意的是，1% H₂SO₄处理两周这一优化条件，不仅实现了AAEM含量35.7%的降低和生物油产率11%的提升，还获得了具有优异性能的生物炭产品。这些生物炭具有更高的碳含量(提高11%)、更大的比表面积(增加5倍)和增强的热值，使其同时适用于土壤改良、碳固存和固体燃料等多种应用场景。

从技术经济角度分析，这种集成方法相比传统预处理具有明显优势：操作条件温和，化学试剂用量少，且直接整合到储存环节，避免了额外的能量密集型处理步骤。从环境效益来看，该方法为树皮废弃物的资源化利用提供了可持续解决方案，既减少了废弃物处置压力，又生产出高附加值的生物基产品，符合循环生物经济的发展理念。

研究的创新之处在于将通常被视为不利因素的储存过程转化为改善原料品质的机会，通过简单的化学干预实现了原料特性的定向调控。这种方法不仅适用于树皮，也可能推广到其他高灰分生物质资源的预处理中，为生物质能源领域提供了新的技术思路。未来研究可进一步优化处理参数，探索不同树种树皮的适应性，并评估该技术路线的经济可行性，推动其从实验室向产业化应用迈进。