油菜籽粕与欧洲白蜡木锯末生物炭的热稳定性与结构特性对比研究及其工业应用潜力

为解决化石燃料资源有限及CO2排放问题，研究人员通过慢速热解（350°C）制备油菜籽粕（RM）与欧洲白蜡木锯末（FS）生物炭，结合FTIR、Raman、TGA/DTG等技术分析其结构与热稳定性。结果显示，两种生物炭固定碳含量均超57%，硫含量低于0.1%，且RM生物炭氮含量更高，FS生物炭热稳定性更优。该研究为高碳生物质替代化石燃料提供了科学依据，对冶金等高耗能行业减排具有重要意义。

　　

在全球能源需求激增与气候变化的双重压力下，寻找可持续的碳材料替代化石资源成为当务之急。传统冶金工业依赖焦炭作为还原剂，但其生产伴随大量CO₂排放，而木材炭虽环保却面临森林资源限制。更棘手的是，现有生物炭研究多聚焦单一原料，缺乏系统性对比与工业适用性验证。

为此，研究人员以油菜籽粕（Rapeseed Meal, RM）和欧洲白蜡木（Fraxinus excelsior, FS）锯末为原料，通过慢速热解（350°C）制备生物炭，采用多尺度表征技术揭示其性能差异。研究发现，RM生物炭固定碳达59.3%，氮含量显著高于FS生物炭（11.39% vs 6.09%），其FTIR谱图显示稳定的羧基（1771 cm^?1）和氨基（991 cm^?1）结构；而FS生物炭在Raman光谱中呈现更强的石墨化特征（ID/IG=0.94），TGA分析显示其在1000°C下残炭率更高（47% vs 42%）。DSC进一步证实FS生物炭能量保留能力更优，焓值比RM高291.48 J/g。通过Bootstrap和贝叶斯统计验证，RM碳含量显著高于FS（95% CI: 0.06-1.76%），为生物炭的精准应用提供数据支撑。

关键技术包括：1）慢速热解（10°C/min升温速率）制备生物炭；2）FTIR和Raman光谱解析官能团与碳结构；3）TGA/DTG评估热稳定性（25-1000°C氮气氛围）；4）CHNS分析元素组成；5）DSC测定能量保留特性。

3.1 近似与最终分析

通过CHNS检测发现，RM350碳含量（59.27%）略高于FS350（57.51%），但氢碳比更低（0.079 vs 0.070）。硫含量均低于0.1%，显著优于传统焦炭（0.68%），符合冶金行业低硫要求。

3.2 结构与热表征

FTIR显示RM350保留更多含氮官能团，而FS350在1720 cm^?1处羧基吸收更强。Raman光谱中FS350的G峰（1585 cm^?1）强度更高，表明其石墨化程度更优。TGA曲线揭示FS350在485°C最大失重率（24.45%）低于RM350（55.75%），印证其热稳定性优势。

3.4 热重分析

DTG微分曲线将分解过程分为三阶段：水分蒸发（25-150°C）、挥发分脱除（150-500°C）和碳稳定（500-1000°C）。FS350在693°C出现独特吸热峰，对应顽固碳结构分解。

4. 统计分析

贝叶斯估计显示RM350碳含量超越FS350的概率达95%（可信区间0.06-1.76%），而Cohen’s d效应量（-8.61）证实FS350能量保留能力具有极端显著性差异。

这项研究首次系统比较了农业副产品与木材生物炭的工业适用性，揭示RM的高氮特性可优化还原反应，而FS的稳定碳骨架适合高温环境。论文发表于《Results in Engineering》，为生物炭在冶金、能源存储等领域的应用提供了理论依据与技术路线，对推动碳中和目标下高耗能行业转型具有战略意义。