废弃开心果壳与聚苯乙烯的催化共热解：参数优化及催化剂装载对产物产率和组成的影响

《RSC Advances》：Catalytic co-pyrolysis of waste pistachio nutshells and polystyrene: optimisation of parameters, and catalyst loading on the products yield and composition

本研究通过催化共热解技术利用废弃开心果壳（PNS）和聚苯乙烯（PS）生产生物油和炭黑，发现550°C、30% PS及5% CuO负载量为最佳条件，生物油产量达49%重量比，其高热值（35.90 MJ/kg）、低氧含量（11.69%）和低粘度（36.40 cP）显著优于传统热解油。CuO催化剂有效促进脱氧反应，增强炭黑碳含量（76.57%）和热值。实验证实生物质与塑料共热解可协同提升产物质量，为可持续能源转化提供新路径。

　　在当今全球能源需求不断上升、化石燃料资源日益枯竭以及环境问题日益严重的背景下，探索可持续的替代能源成为科研和工业界的重要课题。生物燃料因其碳中性特性和对废弃物的高价值利用而受到广泛关注。其中，通过热化学转化技术将农业和林业废弃物与塑料垃圾结合进行共热解，是一种有效提升燃料品质和资源利用率的方法。本研究聚焦于通过共热解工艺将印度农业工业中产生的腰果壳（PNS）与塑料废弃物——聚苯乙烯（PS）进行协同处理，以生产具有优良燃料特性的热解油和高碳含量的生物炭。研究还评估了铜氧化物（CuO）作为催化剂对产品产率和组成的影响，为实现废物资源化和推动循环经济提供了新的思路。

### 生物燃料与塑料废弃物的协同转化

随着工业化和人口增长，塑料的使用量持续上升，而其废弃后对环境造成了巨大压力。全球每年约生产3810万吨塑料，导致约4640万吨塑料垃圾。由于塑料（尤其是热固性塑料）难以自然降解，传统的回收和再利用方法面临诸多挑战，包括化学反应性低、物理处理复杂以及污染物去除困难等。因此，通过热化学过程将塑料垃圾转化为燃料或能源成为一种替代方案。与此同时，农业和林业废弃物的年产量巨大，但利用率较低。研究表明，仅约40%的农业生物质被用于能源、燃料和饲料生产，而其余大量生物质残余物被焚烧或填埋，对生态环境和气候产生不利影响。

热解作为一种常见的热化学转化技术，具有能耗低、排放少、便于规模化和可移动反应器等优势。通过将生物质与塑料作为共热解原料，可以显著提高热解油和生物炭的产量，同时降低其水分、氧含量和粘度等不利于直接应用的指标。本研究通过实验验证了这种共热解工艺的可行性，并优化了关键参数，如热解温度、塑料载荷和催化剂浓度，以获得最优的燃料产率和品质。

### 热解工艺的优化与催化作用

实验采用半批量反应器，在500–650°C的温度范围内进行热解，加热速率为30°C/min，惰性气体流速为100 mL/min。在优化过程中，塑料载荷设定为20–50 wt%，而CuO催化剂载荷则为5和10 wt%。结果表明，在550°C温度下，30 wt%的PS载荷和5 wt%的CuO催化剂负载条件下，热解油产率达到了最高值49 wt%。这一条件下，热解油的高热值（HHV）达到35.90 MJ/kg，氧含量降至11.69 wt%，粘度降低至36.40 cP，显示出显著的燃料质量提升。而产生的生物炭则具有高碳含量（76.57 wt%）、低灰分和水分含量（均低于1%），以及增强的热值，表明其在固体燃料或土壤改良剂方面的潜力。

CuO作为催化剂，在热解过程中发挥了重要作用。其促进脱氧反应，提高了热解油中碳氢化合物的比例，同时减少了含氧官能团和酸性物质。此外，CuO还能增强生物炭的结构稳定性，使其具备更好的热值和吸附能力。通过共热解，生物质与塑料之间的协同效应显著改善了产物分布，提高了热解油的稳定性与燃烧性能。

### 热解油与生物炭的物性分析

热解油的物性分析揭示了其化学组成和结构特性。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）和核磁共振（NMR）技术，研究确认了热解油中氧官能团的减少和碳氢化合物的增加。FTIR分析显示，热解油中的含氧官能团（如C–O和CO）显著减少，而芳香族化合物（如C–H伸缩振动）的含量增加，表明热解过程中发生了脱氧和芳香化反应。NMR分析进一步支持了这一结论，通过积分不同化学位移区域的信号，揭示了热解油中氧官能团和碳氢化合物的分布变化。

在物理特性方面，热解油的粘度、密度和pH值等参数也得到了优化。例如，热解油的粘度从77.25 cP降至36.40 cP，密度从1028.42 kg/m3降至952.65 kg/m3，pH值从2.29提升至3.27，表明其作为燃料的适配性显著增强。此外，热解油的高热值（35.90 MJ/kg）使其具备更高的能量密度，为能源利用提供了良好基础。

生物炭的物性分析同样显示出优越的特性。通过热重分析（TGA）和扫描电子显微镜（SEM）技术，研究发现生物炭具有较高的碳含量和较低的氧含量，表明其热解过程较为彻底。X射线衍射（XRD）分析进一步揭示了生物炭的晶体结构变化，表明在添加PS后，其结晶性有所下降，这可能是由于塑料中非晶态成分的引入影响了碳结构的有序性。然而，这种结构变化并不影响生物炭作为燃料或土壤改良剂的性能，反而增强了其吸附能力和稳定性。

### 热解油的组成分析与应用前景

通过气相色谱-质谱联用（GC-MS）技术，研究进一步揭示了热解油的化学组成。结果显示，未催化热解油中含有较多的酚类、酸类和醇类化合物，而这些物质通常具有较高的酸度和较低的热值，不利于直接应用。然而，在添加30 wt%的PS和5 wt%的CuO催化剂后，这些含氧化合物的含量显著减少，同时碳氢化合物的比例增加，从而提升了热解油的燃料性能。例如，催化热解油的酸度降低，粘度下降，pH值上升，表明其具有更好的储存和使用条件。

此外，研究还发现，催化热解油中氮和硫的含量极低，这在一定程度上减少了燃烧过程中产生的氮氧化物（NOx）和硫氧化物（SOx）等有害气体。这种特性使得催化热解油在环保方面具有优势，符合可持续能源发展的方向。

### 生物炭的结构特性与应用潜力

生物炭的结构特性同样受到PS和CuO的显著影响。SEM图像显示，未添加PS的生物炭具有较致密的表面结构，而添加PS后，其表面变得更加多孔，形成复杂的纤维网络。这种结构变化不仅提高了生物炭的比表面积，还增强了其吸附能力和热稳定性。XRD分析进一步支持了这一结论，表明PS的加入会破坏生物炭的晶体结构，使其从有序结构转变为无序或半无序结构。然而，这种结构变化并未影响其作为燃料或土壤改良剂的适用性，反而使其在多个应用领域展现出潜力。

生物炭的高碳含量（76.57 wt%）和低灰分（4.48 wt%）表明其具备较高的热值和较低的杂质含量。此外，其碱性pH值（8.21）有助于土壤改良，提高土壤肥力，并增强对重金属的固定能力。这些特性使得生物炭不仅在能源领域具有应用价值，在农业和环境治理方面也表现出良好的前景。

### 未来研究方向与实际应用挑战

尽管本研究展示了共热解工艺和催化剂在提升燃料品质方面的潜力，但仍然存在一些需要进一步解决的问题。首先，实验在半批量反应器中进行，可能无法完全模拟工业规模连续操作的复杂性。因此，未来研究应关注反应器设计的放大和工业化的可行性，同时优化传热和传质效率，以提高产物的产率和稳定性。其次，催化剂的使用方式主要为物理混合，这可能导致催化剂与原料之间的接触不均，影响反应动力学和转化效率。因此，探索更高效的催化剂负载方式，如载体支撑或纳米分散，将是未来研究的重要方向。

此外，尽管热解油的氧含量和酸度有所降低，但其仍含有一定量的含氧和酸性化合物，这可能限制其直接作为运输燃料的应用。因此，进一步的精炼步骤，如加氢处理或先进的催化升级，可能需要被引入以提升热解油的品质。同时，由于农业和塑料废弃物的组成具有较大的变异性，研究需要进一步探讨不同原料组合对产物性能的影响，以提高工艺的可重复性和稳定性。

综上所述，本研究通过共热解工艺将腰果壳和聚苯乙烯结合，并引入CuO催化剂，成功提升了热解油和生物炭的燃料特性。这不仅为废弃物的资源化利用提供了新的思路，也为实现碳中性和循环经济目标提供了技术支撑。未来研究应进一步解决规模化和工业化问题，以推动该技术在实际应用中的落地。