生物质-塑料共热解可持续生物燃料生产评估：PAHs形成与生物油产率的协同调控机制

本研究针对生物质与塑料共热解过程中多环芳烃(PAHs)的生成控制难题，通过设计螺旋热解反应器系统探究LDPE与甘蔗渣混合比例(0-100%)、温度(450-675°C)和螺杆转速(2-10 rpm)对18种EPA标准PAHs分布的影响。发现67%LDPE在600°C/2rpm时生物油产率达48.12%，但PAHs浓度高达5853mg/L；而67%甘蔗渣在525°C/2rpm条件下PAHs最低(1518mg/L)，产率保持43.9%。该研究为平衡生物燃料生产效率与环境风险提供了关键参数优化方案。

　　

随着全球对可持续能源需求的增长，生物质热解技术因其能将农业废弃物转化为生物燃料而备受关注。然而，这一过程中产生的多环芳烃(PAHs)——含有多苯环结构的持久性有机污染物，因其强致癌性和环境累积性成为重大隐患。尤其当塑料与生物质共热解时，复杂的化学反应可能加剧PAHs生成。目前大多数研究局限于单一原料的小型固定床反应器，对工业化放大过程中塑料-生物质协同效应的影响机制知之甚少。

伊朗胡齐斯坦省Karun Agro-Industry公司联合研究团队在《Fuel》发表的研究，首次采用中试规模的螺旋热解反应器，系统探究了低密度聚乙烯(LDPE)与甘蔗渣不同配比(纯LDPE、33%甘蔗渣-67%LDPE、67%甘蔗渣-33%LDPE、纯甘蔗渣)在450-675°C温度范围和2-10rpm转速下的相互作用。研究通过热重分析(TGA)揭示原料分解特性，采用气相色谱-质谱联用技术(GC-MS)定量检测18种EPA标准PAHs，发现温度与停留时间是调控PAHs分子量分布的关键：高温(675°C)促进苯并[a]芘等大分子量PAHs(HMW-PAHs)形成，而525°C条件下67%甘蔗渣混合物的萘等小分子量PAHs(LMW-PAHs)占比提升。

材料与方法
研究采用经晒干和70°C烘干处理的甘蔗渣(含水率4%)与LDPE颗粒混合，在定制螺旋反应器中实现连续进料。通过调节螺杆转速控制物料停留时间(2rpm对应最长停留)，采用三级冷凝系统收集生物油。关键分析技术包括：热重分析(TGA)表征原料热解特性；GC-MS检测PAHs；元素分析仪测定产物碳氢氧含量；统计学方法分析参数交互作用。

热重分析
DTG曲线显示甘蔗渣在280-380°C出现纤维素/半纤维素分解峰，LDPE在480°C呈现单一分解峰。共热解时甘蔗渣的分解峰向高温偏移12°C，表明LDPE衍生的烷基自由基可能延缓生物质分解，这种非加和效应证实了原料间的化学协同。

PAHs分布特征
温度升高使3-4环PAHs占比从525°C的41%增至675°C的67%。特别值得注意的是，纯LDPE在675°C时苯并[ghi]苝浓度达892mg/L，是纯甘蔗渣的5.3倍。而67%甘蔗渣混合物在525°C表现出最优平衡：PAHs总量比纯LDPE降低74%，其中强致癌性的苯并[a]芘浓度仅为后者的1/8。

生物油产率优化
螺杆转速从10rpm降至2rpm可使生物油产率提升9.7%，但伴随PAHs增加22%。最佳工艺窗口出现在600°C/2rpm的67%LDPE混合物，其产率峰值(48.12%)比纯生物质高14个百分点，证实塑料添加能有效弥补生物质氢不足的缺陷。

结论与意义
该研究揭示了塑料与生物质共热解过程中两类关键机制：LDPE分解产生的富氢环境促进生物质脱氧反应，但同时通过HACA(氢提取-乙炔加成)等途径加速PAHs生长；而甘蔗渣中的含氧组分通过竞争自由基抑制部分缩合反应。这一发现为设计"高温快速-低温慢速"的分段热解工艺提供了理论依据，既能利用塑料提高产率，又通过生物质调控降低毒性。研究建立的参数响应模型可直接指导工业装置优化，对发展符合欧盟REACH法规的清洁生物燃料技术具有重要实践价值。作者Zahra Minaii Zangi等强调，未来需结合催化剂开发进一步阻断PAHs生成路径，以实现环境效益与能源产出的双重最大化。