农林生物质废弃物生物板成型后热解行为的演变规律及动力学机制研究

为解决农林废弃物资源化利用难题，研究人员通过TG-DTG分析结合Coats-Redfern、KAS和Vyazovkin等动力学方法，系统研究了大豆秸秆(SSP)、樟树枝条(CBP)及其生物板(SSB/CBB)的热解特性。研究发现生物板具有更高活化能(176.79-189.53 kJ/mol)和指前因子(>109)，证实热压成型显著提升材料热稳定性，为生物质热解反应器设计提供了重要理论依据。

　　

随着全球能源需求激增和化石燃料枯竭，农林生物质废弃物的高效利用成为研究热点。大豆秸秆(SSP)和樟树枝条(CBP)作为典型废弃物，传统填埋焚烧方式面临严峻环境挑战。虽然通过热压成型可制备环保生物板(SSB/CBB)，但其缓慢的自然降解速度严重制约资源循环。热解技术能将废弃物转化为生物炭、生物油等高值产品，但生物板与原料的热解行为差异机制尚不明确，缺乏系统的动力学和热力学分析。

研究团队采用热重分析仪(EXSTAR 6000)在氮气氛围下测试了2-10°C/min升温速率的热解曲线，结合Coats-Redfern积分法、KAS等转化法和Vyazovkin高级等转化法进行动力学解析，并通过高斯去卷积分离DTG重叠峰。元素分析仪(Flash 2000)和绝热热量计(OSK 150)分别测定元素组成和热值，Van Soest法分析纤维素/半纤维素/木质素含量。

热解行为演变方面，DTG曲线显示所有材料经历脱水(30-150°C)、脱挥发分(150-400°C)和成炭(>400°C)三阶段。去卷积分析揭示SSP/CBP分别存在4个伪组分峰，对应水分、半纤维素(240-320°C)、纤维素(300-360°C)和木质素(160-600°C)分解。生物板峰值温度比原料提高20-50°C，SSB最大失重率达10.71 wt%/min，显著高于SSP的5.49 wt%/min。

动力学分析表明，原始樟树枝条(CBP)符合3D扩散-Ginstling模型(E_a=157.34 kJ/mol)，而其他材料遵循Avrami-Erofeev成核反应机制。生物板活化能提升显著(SSB 189.53 kJ/mol vs SSP 176.79 kJ/mol)，指前因子均超过10¹³ min^-1，显示热压处理增强了分子碰撞频率。动力学补偿效应证实lnA与E_a存在线性关系(R²>0.99)，等动力学温度均落在实验温度区间内。

热力学参数显示所有样品ΔH为正(151.52-183.92 kJ/mol)，ΔG为正(171.69-184.64 kJ/mol)，证实热解为吸热非自发过程。值得注意的是，樟树枝条加工为CBB后熵变从-45.67增至-4.65 J/(mol·K)，反映热压显著改变了木质材料的分子有序性。

该研究首次揭示了生物板成型工艺对热解特性的调控机制，证实热压处理通过提高活化能和降低熵值来增强材料热稳定性。研究提出的动力学三重态参数为生物质热解反应器设计提供了精准建模依据，而热力学分析则为评估工艺经济性建立了理论框架。特别是发现生物板较原料更适合作为高品质生物燃料，其更高的热值(SSB 19.72 MJ/kg)和更低的灰分含量(2.45 wt%)展现出良好的能源化应用前景。这些发现不仅为废弃生物板的资源化处置开辟新途径，也为生物质复合材料的功能设计提供了重要参考。论文发表在《Journal of Environmental Chemical Engineering》。