芥菜秸秆烘焙的环境可持续性评估：热动力学、产物分布与生命周期分析的创新研究

本研究针对芥菜秸秆(Mustard Straw, MS)烘焙过程开展系统性评估，通过200-400°C温度区间的热化学转化实验，结合Tang法和Miura-Maki分布式活化能模型(DAEM)的动力学分析，揭示了产物分布规律（生物炭67.89%-34.33%、生物油21.32%、气体20.31%-44.75%），并首次集成热重分析(TGA)、傅里叶红外(FTIR)、X射线衍射(XRD)等技术进行产物表征，结合生命周期评估(LCA)证实该技术对实现生物质资源化利用具有重要环境效益。

　　

随着城市化与工业化加速，化石燃料枯竭和气候变化问题日益严峻。作为主要可再生能源，木质纤维素生物质的开发利用备受关注。其中烘焙技术（Torrefaction）因其低温无氧条件下可同时生产生物炭、生物油和可燃气体的特性，成为生物质转化的研究热点。印度作为全球第二大油菜籽生产国，每年产生2340万吨芥菜秸秆，其中75%未被有效利用。尽管已有少量关于芥菜秸秆烘焙的研究，但对其产物特性、热动力学机制及环境影响的系统性研究仍属空白。

针对这一科学问题，来自中国的研究团队开展了芥菜秸秆烘焙的综合研究。研究团队通过半间歇式反应器在200-400°C温度范围内进行烘焙实验，采用创新的Tang近似法求解阿伦尼乌斯温度积分，结合Miura-Maki分布式活化能模型(DAEM)进行动力学分析，并首次对该过程进行生命周期评估(LCA)。相关成果发表在《Biomass and Bioenergy》期刊。

关键技术方法包括：1）使用半间歇反应器进行等温烘焙实验，氮气氛围下处理10g芥菜秸秆30分钟；2）采用热重分析仪(TGA)在50-900°C范围测定热解特性；3）通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线衍射(XRD)分析化学键和晶体结构变化；4）应用Tang法和Miura-Maki方法进行动力学建模；5）基于ISO 14040标准进行生命周期评估(LCA)，使用SimaPro V9.1软件和ReCiPe 2016方法。

3.1 芥菜秸秆组成分析
实验测得芥菜秸秆含纤维素38.19%、半纤维素18.31%和木质素24.41%，与水稻秸秆、小麦秸秆等常见生物质相比具有典型的木质纤维素特征。

3.2 产物分布特征
温度显著影响产物分布：生物炭产率随温度升高从67.89%（200°C）降至34.33%（400°C），气体产率从20.31%增至44.75%，而生物油在300°C时达到峰值21.32%。

3.3 动力学参数评估
采用Tang法获得活化能(E_a)在104.15-166.18 kJ/mol范围内变化，α=0.3时出现峰值（130.23 kJ/mol），对应半纤维素分解阶段。DAEM分析显示活化能呈高斯分布，峰值f(E)为0.045849（E_a=50.74 kJ/mol）。

3.5-3.7 产物特性分析
300°C制备的生物炭具有较高热值（HHV=16.78 MJ/kg）和燃料比（0.29），FTIR显示O-H、C-H键减少表明疏水性增强。XRD证实纤维素晶体结构破坏，FESEM观察到明显热裂纹。生物油GC-MS检测显示含25.7%脂肪族和15.79%酚类化合物，HHV达19.85 MJ/kg。

3.13 生命周期评估
LCA结果显示每kg生物质处理的温室气体排放为1.543-5.237 kg CO₂ eq，资源消耗0.030859-0.099371 USD，温度升高导致各环境影响指标呈线性增长。

该研究首次系统阐明了芥菜秸秆烘焙的热动力学机制，验证了Tang方法在生物质烘焙动力学分析中的适用性。通过多尺度表征揭示了产物形成规律，其中生物炭的燃料特性和生物油的化学组成为其能源化利用提供了理论依据。生命周期评估为生物质烘焙技术的环境可持续性提供了量化数据，对实现联合国可持续发展目标（SDG7）倡导的清洁能源转型具有重要意义。研究提出的集成实验与建模方法，可为其他农业废弃物的资源化利用研究提供范式参考。