麻疯树果渣水热碳化过程中生物质粒径对生物能源生产潜力的影响机制研究

推荐：本研究针对麻疯树(Jatropha curcas)副产物(果壳FHK/种壳SSH)的能源化利用难题，通过水热碳化(HTC)技术系统探究了五种粒径范围(PSR)对水热炭(HC)燃料特性的影响。结果表明SSH衍生的HC具有更高能量密度(1.22-1.26)和能量产率(68.7-71.7%)，灰分因子降低约25%，FTIR和ICP-OES分析揭示了钙/钾的差异化分布规律，为农林废弃物高值化利用提供了新策略。

　　

随着全球对可再生能源需求的持续增长，生物质能源的开发成为缓解能源危机和环境压力的重要途径。麻疯树(Jatropha curcas L.)作为一种耐旱作物，其种子可提炼非食用油脂用于生物燃料生产，但加工过程中产生的果壳(FHK)和种壳(SSH)等副产物占果实重量的30-80%，目前缺乏高效利用方式。这些副产物具有颗粒异质性、低热值及潜在毒性化合物等问题，传统焚烧处理易造成二次污染。水热碳化(Hydrothermal carbonization, HTC)技术因其能直接处理高湿度原料、反应条件温和(180-260°C)等优势，成为生物质转化的研究热点，但原料粒径(PSR)对产物特性的影响机制尚不明确。

来自德国JatroSolutions GmbH等机构的研究人员以喀麦隆产麻疯树副产物为对象，系统研究了五种粒径范围对水热炭(HC)燃料性能的影响。通过控制研磨转速(0/3000/9000 rpm)获得不同粒径原料，在220°C下进行2小时HTC处理，结合FTIR、ICP-OES、热重分析(TGA)等技术，揭示了粒径与燃料特性的构效关系。研究成果发表在《Biomass and Bioenergy》期刊，为农林废弃物的精准能源化利用提供了理论依据。

关键技术方法包括：(1)采用不同转速(3000/9000 rpm)研磨制备粒径梯度样品；(2)通过Van Soest法测定纤维素/半纤维素/木质素含量；(3)使用ICP-OES分析无机元素组成；(4)基于Channiwala公式计算高位热值(HHV)；(5)利用STA 449 Jupiter?同步热分析仪进行惰性与氧化气氛下的热重实验。

【3.1 纤维组成与水热炭产率】
原料组分分析显示SSH木质素含量(51.93 wt%)显著高于FHK(11.75 wt%)，而FHK纤维素含量(32.48 wt%)更高。HTC处理后，SSH系列HC产率(约56%)普遍高于FHK系列(约53%)，且粒径变化对产率影响不显著，这与传统认知中"大粒径促进碳保留"的结论相悖。液相pH值稳定在4.3-5.0区间，表明有机酸释放与粒径无直接关联。

【3.2 物理化学性质】
SSH衍生的HC真密度(1.638 g/cm³)显著提升，而FHK系列仅筛分样品(FHK-3000s)密度增加。 proximate analysis显示HC固定碳(FC)含量提升显著，SSH-9000的FC达36.51 wt%。元素分析证实HTC过程发生脱氧反应，O/C原子比从0.45降至0.36。Van Krevelen图示表明SSH-HC的H/C和O/C比更接近化石燃料。

【3.3 能量特性】
SSH-3000的HHV达25.61 MJ/kg，能量密度(ED)1.26优于FHK系列(1.10)。灰分因子(AF)分析显示SSH-HC燃烧残留减少25%，而氮硫因子(NSF)在FHK-HC中降低64.84%，表明HTC有效降低了污染物排放风险。

【3.4 无机物组成】
ICP-OES检测发现钙(Ca)是SSH主要无机成分(8.86 g/kg)，而FHK富含钾(K)(55.29 g/kg)。HTC使水溶性K元素大量溶出，SSH-9000的K含量降低82.8%，证实水热环境对碱金属的选择性脱除作用。

【3.5 表面化学结构】
FTIR光谱显示所有HC在3300 cm^-1处-OH峰减弱，证实疏水性增强。1600-1650 cm^-1区间的C=C伸缩振动增强，反映芳香环缩合程度提高，与热稳定性测试结果相互印证。

【3.6 热重分析】
TGA曲线揭示SSH原料在358°C出现显著分解峰，对应其高木质素特性。HTC处理后，所有HC在250°C出现新失重峰，归因于短链酸分解。氧化气氛下HC的燃烧区间向高温偏移，表明碳结构更加稳定。

该研究证实麻疯树种壳(SSH)因其高木质素含量更适于生产高品质水热炭，粒径减小虽促进无机物溶出但未显著改变碳化效率。通过建立"组成-粒径-性能"的关联模型，揭示了木质纤维素含量比初始粒径对HC性质影响更显著。这一发现为生物质预处理工艺优化提供了新思路，尤其对边际土地种植的能源作物副产品利用具有重要指导意义。研究创新的将灰分因子与能量密度参数结合评估，为生物炭燃料标准化评价体系建立提供了方法论参考。未来研究可进一步探索HTC工艺参数与不同粒径原料的协同作用机制，推动该技术向工业化应用迈进。