微波与炉加热下热流方向对玉米秸秆髓活化过程中孔隙发育的影响机制研究

本研究针对生物质活化过程中热流方向对孔隙结构演化的关键影响，通过对比微波加热(MH)与炉加热(FH)下玉米秸秆髓(CSP)与不同活化剂(H3PO4/ZnCl2/K2C2O4)的相互作用，发现MH通过增强裂解反应降低活性炭(AC)产率但提升介孔比例(13.3% vs 6.4%)，而ZnCl2在MH中促进缩合反应形成高微孔率(97.1%)AC。研究为定向调控AC孔隙结构提供了新思路。

　　

在生物质能源与材料领域，如何高效转化农业废弃物为高附加值多孔碳材料一直是研究热点。玉米秸秆髓(CSP)作为典型农业废弃物，其松散生物结构虽有利于活化造孔，但传统炉加热(FH)存在热传导效率低、孔隙发育不均等问题。而微波加热(MH)特有的"由内而外"热流方向可能改变反应中间体演化路径，进而影响活性炭(AC)的孔隙特征。然而，不同活化剂与加热模式的协同作用机制尚不明确，这限制了AC孔隙结构的精准调控。

针对这一科学问题，来自中国的研究团队在《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》发表研究，系统比较了H₃PO₄、ZnCl₂和K₂C₂O₄三种活化剂在MH与FH下对CSP的活化效果。研究采用原位漫反射红外光谱(DRIFTS)追踪反应中间体演变，结合N₂吸附、酚吸附实验和生命周期评价(LCA)等多维度分析，揭示了热流方向通过改变反应网络调控孔隙发育的机制。

主要技术方法
研究选取0.5-1 mm粒径的CSP颗粒，分别在350°C、550°C和800°C下进行MH与FH活化。采用DRIFTS实时监测含氧官能团(-OH/C=O)演变，通过气相色谱分析裂解气体组成，结合BET比表面积测试和SEM观察孔隙形态，最后用LCA评估两种加热模式的环境影响。

研究结果

Materials
实验采用山东东营玉米秸秆髓，经去壳、粉碎后筛选0.5-1 mm颗粒，使用ZnCl₂（颗粒状）、H₃PO₄和K₂C₂O₄三种活化剂，确保涵盖不同活化机制。

Yields of the products from the activation
K₂C₂O₄活化时MH使AC产率降至13.2%（FH为16.4%），气体产物增加证实裂解反应增强。而ZnCl₂在MH中通过促进缩合反应使AC产率提高至28.7%，且微孔占比达97.1%（FH为83.2%）。

Limitations and prospect
研究指出需进一步探究挥发物-活化剂相互作用路径，以及"热点"效应对局部反应网络的定量影响。

Conclusions
MH通过双向热流显著改变活化反应网络：K₂C₂O₄活化时增强裂解导致介孔合并（介孔率提升107%），而ZnCl₂促进缩合形成超高微孔AC（1274 m²/g比表面积）。DRIFTS证实H₃PO₄难以形成C-O-P交联键，而ZnCl₂可有效消除含氧中间体。该研究为基于热流方向调控AC吸附性能提供了理论依据。

这项工作的创新性在于首次阐明MH与FH差异热流通过改变活化剂作用路径来定向调控孔隙结构的机制。发现ZnCl₂在MH中可同步实现高AC产率（28.7%）与超高微孔率（97.1%），这对设计酚类污染物吸附材料具有重要指导意义。LCA分析还显示MH具有更优的环境友好性，为生物质转化工艺选择提供了新维度思考。