CaCO3 催化木材与塑料快速共热解：气体产物生成机制与增效作用研究

为解决生物质热解产物含氧量高、品质差及塑料废弃物累积问题，研究人员通过CaCO3 原位催化木材与塑料（LDPE/PP/PS）快速共热解（FCP），发现CaCO3 使气体产率提升2倍（Wood-PS达81 wt%），显著促进低碳数化合物生成，为生物质-塑料协同转化及催化剂设计提供新见解。

　　

研究背景与意义
在全球能源转型与废弃物治理的双重挑战下，生物质与塑料的协同转化技术备受关注。传统生物质热解面临产物含氧量高、热值低的瓶颈，而塑料废弃物累积造成的环境压力亟待解决。尽管共热解（Co-pyrolysis）技术能通过氢转移反应改善产物品质，但现有研究多聚焦长停留时间的次级反应，对初始反应机制及催化剂作用的认识仍存空白。瑞典西部大学（University West）的Supriyanto团队在《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》发表研究，首次揭示CaCO₃
催化木材与塑料快速共热解过程中气体产物的生成规律与增效机制。

关键技术方法
研究采用熔融混合法制备桦木与塑料（LDPE/PP/PS）均质样品，CaCO₃
添加量为10 wt%。通过微型热解仪（Pyrola2000）在600°C、5秒短停留时间下实现初级反应控制，结合气相色谱-质谱联用（Py-GC/MS）和热导检测器（TCD）定量分析挥发物与非冷凝气体（NCG）。采用微波等离子体原子发射光谱（MP-AES）验证钙含量，有效碳数（ECN）校正定量误差。

研究结果

1. 初级气体产物倍增效应
CaCO₃
使Wood-LDPE、Wood-PP和Wood-PS的气体产率分别从14→27 wt%、17→31 wt%、44→81 wt%。低碳数（C<10）化合物增幅最显著，表明催化剂促进聚合物链随机断裂（图2）。热重分析（TGA）显示焦炭产量无显著变化，证实气体增量源于挥发分转化。

2. 氧烃协同转化机制
• Wood-LDPE体系：CaCO₃
使烯烃（4.7→8.2 wt%）和炔烃（0.8→1.7 wt%）增加，烷烃稳定（2 wt%），提示C-C键断裂以分子内氢转移为主（图4a）。醇类产量激增（0.05→2.9 wt%），源于木质素羟基自由基与LDPE氢自由基（H?）的耦合反应。
• Wood-PP体系：烯烃（11→17 wt%）和烷烃（2→5 wt%）同步增长，反映分子间/内氢转移并存（图6a）。羧酸（0.3→0.7 wt%）选择性提升，与半纤维素β-1,4键断裂（BDE=353 kJ/mol）相关。
• Wood-PS体系：苯乙烯主导的烯烃产量（37→66 wt%）显著提升，但醇类增幅低于聚烯烃体系，归因于苯环C=C键高解离能（602 kJ/mol）（图7a,c）。

3. 脱氧路径强化
所有体系均观察到CO/CO₂
产量跃升（Wood-PS达8→32 wt%），证实CaCO₃
加速脱羰（-COH）和脱羧（-COOH）反应。NCG相对占比排序：Wood-LDPE（36%）> Wood-PP（20%）> Wood-PS（10%），反映木质素侧链（BDE=305 kJ/mol）比纤维素糖苷键更易断裂（图8）。

结论与展望
该研究阐明CaCO₃
通过三重作用机制提升共热解效率：（1）促进塑料C-C键断裂生成烯烃；（2）加速木质素β-O-4键裂解产生酚类；（3）强化生物质脱氧路径生成CO_x
。相较于传统CaO催化剂，天然丰富的CaCO₃
在工业级低添加量（3-5 wt%）下仍保持活性，为废弃木材-塑料复合材料（WPC）的高值化利用提供技术支撑。未来研究可拓展至真实废弃物体系，并探究CaCO₃
热分解产物（CaO）在次级反应中的作用。

（注：全文数据与结论均源自Supriyanto等作者原文，未添加主观推断）