解锁花生壳热解密码：剖析其动力学、机理与热力学，助力生物质能源高效转化

为解决花生壳资源化利用及热解机制不明等问题，湖北理工学院的研究人员开展花生壳热解动力学、机理和热力学研究。结果揭示其热解特性等，为资源化利用提供依据。该研究意义重大，强烈推荐科研读者阅读12。

　　

在当今这个科技飞速发展的时代，能源问题就像一座沉甸甸的大山，压在人们的心头上。随着人类社会一路 “狂飙”，对能源的需求也在不断攀升，这使得能源资源日益枯竭，环境也遭到了严重破坏。在这样的大背景下，生物质能源凭借着分布广泛、产量大、碳中性等优点，成功吸引了众多科研人员的目光，被视为解决能源困境的 “潜力股”。

花生壳，作为一种典型的生物质资源，产量十分可观。中国作为全球最大的花生生产国，每年产生的花生壳多达吨 。然而，这些花生壳大多被随意堆放或者直接焚烧，这不仅造成了资源的极大浪费，还对环境产生了污染，实在是让人惋惜。其实，花生壳有着巨大的 “能量”，通过热化学转化，它可以摇身一变，成为液体（生物油）、固体（生物炭）、气体（、 、 、 、轻烃）等能源和增值产品，为国家的能源安全贡献一份力量，助力实现碳中和的目标。

可是，想要充分利用花生壳，可没那么简单。生物质的热解过程十分复杂，就像一个神秘的 “黑匣子”。以往的研究虽然采用了各种方法来探索，但大多聚焦于应用无模型方法分析整个过程的活化能，对于花生壳热解的机理函数研究较少。而且，由于生物质热解的复杂性，单一的反应模型根本无法全面地描述整个过程。因此，深入了解花生壳热解的动力学、反应机理和热力学参数，就显得尤为重要。

为了揭开花生壳热解的神秘面纱，湖北理工学院的研究人员 Jialiu Lei、Liu Yang、Yuhao Wang 和 Dongnan Zhao 在《Heliyon》期刊上发表了一篇名为 “Pyrolysis kinetics, mechanism and thermodynamics of peanut shell based on Gaussian function deconvolution” 的论文。他们通过一系列研究，得出了不少重要结论，为花生壳的资源化利用提供了关键线索。

研究人员为了开展这项研究，用到了几个关键的技术方法。首先是热重分析，利用热重分析仪，让花生壳样品在不同的升温速率下从室温加热到 1173K，同时通入氮气，记录质量变化，以此来研究花生壳热解过程中的质量变化规律。其次是高斯函数解卷积技术，把花生壳的热解过程分解成几个独立的一步平行反应，对应伪木质素（P-Lig）、伪纤维素（P-Cell）和伪半纤维素（P-Hem）的分解。最后运用多种动力学方法，像 Coats–Redfern（CR）、Kissinger–Akahira–Sunose（KAS）、Flynn–Wall–Ozawa（FWO）和 Vyazovkin 等方法，来估算各伪组分的动力学参数和反应机理123。

下面我们来看看具体的研究结果：

• 热重分析：研究人员通过热重分析发现，随着升温速率从 10K/min 增加到 30K/min，花生壳热解的质量损失速率和峰值温度都向高温方向移动。热解过程可以分为三个阶段，其中第二阶段（428K - 973K）是主要的热解阶段，这个阶段花生壳失重最多。在这个阶段，热解曲线的特征表明，花生壳的主要成分在热解过程中是同时发生反应的，这给研究各成分的降解行为带来了困难45。
• DTG/TGA 曲线解卷积：利用高斯函数对热解数据进行解卷积，研究人员发现，在 10K/min 的升温速率下，出现了三个解卷积峰，对应的温度范围和文献中半纤维素、纤维素和木质素的热解温度范围有明显重叠，这说明这三个峰很可能分别对应 P-Hem、P-Cell 和 P-Lig 的热分解。而且，高斯函数解卷积的效果很好，值都超过 0.994，为后续的动力学分析提供了可靠的数据67。
• 伪组分的动力学分析：研究人员用 KAS 和 FWO 方法对三个 P-Coms 的实验热重数据进行拟合，得到了不同 α 值下的表观活化能。结果显示，三种方法计算出的平均表观活化能顺序为。这表明纤维素比半纤维素更容易分解，而木质素的分解则最为困难，因为木质素是由含有长碳链的芳香化合物组成，分解它需要更多的能量89。
• P-Com 的反应机理：通过 CR 方法研究每个 P-Com 在不同升温速率下的主要热解阶段的反应机理，研究人员发现，对于 P-Hem 和 P-Cell，随机成核模型能更好地描述它们的热解过程；对于 P-Lig，扩散反应机理是最适合的模型。而且，这些模型的预测效果都很好，都大于 0.985，最大偏差小于 3.5%10。
• 动力学补偿效应：研究人员通过绘制活化能和指前因子的相关性图，发现两者之间存在强烈的线性关系，这证实了花生壳热解过程中存在动力学补偿效应，意味着可以对不同升温速率下的转化程度进行建模11。
• 热力学分析：热力学分析表明，花生壳的热解反应是吸热且非自发的。而且，木质素热解需要更多的能量，其热降解速度较慢。不过，花生壳可以通过热解稳定地转化为增值能源，因为每个 P-Com 的值变化在 ±2 kJ/mol 以内1213。
• 能量平衡和未来应用：在 773K 下进行的能量平衡分析显示，花生壳热解产生的气体产物的能量足以维持热解过程。这表明热解是花生壳资源化利用的一条很有前景的途径，热解后的产物，如生物油、生物炭和气体产品，都有着广泛的应用前景1415。

总的来说，这项研究利用高斯函数微分分析，成功地将花生壳的热解过程分解为三个独立的一步反应，分别对应半纤维素、纤维素和木质素的分解。通过解卷积，得到了每个 P-Com 的热解动力学、热解机理和热力学参数，并进行了验证。研究结果为深入理解花生壳的热解机理提供了重要依据，有助于实现农业废弃物资源的高效利用。不过，研究主要针对 80 - 106μm 粒径的花生壳粉的热解机理进行讨论，对于放大系统来说，这些结果还不够。后续研究可以利用实验室规模的固定床反应器，详细分析热解温度对不同粒径热解产物理化性质的影响，为花生壳热解的工业化应用提供更有力的支持。

这项研究就像是一把钥匙，为我们打开了花生壳资源化利用的大门，让我们看到了花生壳变废为宝的巨大潜力，也为未来生物质能源的研究和应用指明了方向，相信在科研人员的不断努力下，生物质能源将会在未来的能源领域中发挥越来越重要的作用。