多重光散射技术快速量化生物质浆料稳定性及其在连续生物能源生产中的应用

推荐：为解决生物质浆料在连续生物能源生产中稳定性不足的问题，研究人员利用多重光散射（MLS）技术定量分析牛粪浆（CMS）和螺旋藻浆（SS）的沉降行为，结合流变学、接触角和Zeta电位分析，确定20 wt%为最佳浓度，颗粒尺寸低于120目时浆料兼具稳定性和泵送性，为工业化连续生产提供了关键技术支撑。

　　

随着化石燃料过度使用导致的温室气体排放加剧，全球能源结构转型迫在眉睫。生物质作为唯一含碳的可再生能源，其高效利用对实现碳中和至关重要。然而，在连续生物能源生产过程中，生物质浆料的稳定性问题成为瓶颈——颗粒沉降易导致管道堵塞、反应器结焦，严重影响工业化进程。传统视觉观察法仅能捕捉沉降的初始和终态，无法量化全过程，亟需引入高精度检测技术。

中国农业大学的研究团队创新性地将多重光散射（Multiple Light Scattering, MLS）技术应用于生物质浆料分析，以牛粪浆（CMS）和螺旋藻浆（SS）为研究对象，揭示了浓度与稳定性的定量关系。研究发现：低浓度（5–10 wt%）时CMS和SS均出现明显沉降；中浓度（15–20 wt%）时生物质与水形成饱和态，沉降减弱；高浓度（25 wt%）下螺旋藻颗粒因氢键分子吸附显著团聚，而牛粪颗粒保持相对运动。通过结合流变学测试、接触角分析和Zeta电位测量，团队最终确定20 wt%为最佳工程应用浓度，此时浆料兼具稳定性（Turbiscan稳定性指数TSI降低）和伪塑性流变特性，适于连续输送。该成果发表于《Biomass and Bioenergy》，为生物质浆料工业化处理提供了快速量化工具和优化方案。

关键技术包括：1）MLS技术动态监测ΔBS光谱和TSI指数；2）激光粒度仪分析颗粒分布；3）旋转流变仪测定黏度-剪切速率曲线；4）接触角测量仪评估表面润湿性；5）Zeta电位分析仪探究电化学稳定性。

材料与方法
研究选用40/80/120目筛分的螺旋藻和牛粪颗粒，通过MLS实时扫描不同浓度浆料的背向散射光（BS），以ΔBS热图量化沉降动力学，并结合Hansen溶解度参数优化分散性。

浓度对浆料稳定性的影响
ΔBS光谱显示：低浓度浆料出现明显澄清层（ΔBS<-10%），而20 wt%时CMS和SS的TSI分别降至4.5和3.8，稳定性提升3倍。FT-IR证实螺旋藻的O-H/N-H键在25 wt%时峰位偏移，揭示氢键主导的团聚机制。

颗粒尺寸效应
120目以下颗粒的浆料TSI比40目样品降低56%，XPS显示小粒径牛粪颗粒表面C=O含量增加18.7%，增强亲水性。Zeta电位绝对值>30 mV时，静电斥力有效抑制颗粒聚集。

流变学优化
20 wt%浆料表现出剪切稀化特性（流动指数n=0.72），表观黏度稳定在1.2–1.5 Pa·s，满足泵送要求。接触角<90°证实水分子对颗粒的包裹效应。

该研究首次将MLS技术系统应用于生物质浆料稳定性量化，建立的20 wt%优化配方可减少反应器堵塞风险60%以上。未来可通过MLS-HTT（水热处理）联用技术进一步探索高温高压下的浆料行为，推动生物能源规模化生产。作者团队强调，该方法同样适用于餐厨垃圾、藻类等高湿生物质的预处理评估，具有广阔工业应用前景。