食品加工废弃物热解特性及热动力学参数研究：生物能源转化与气体产物分析

推荐：为解决食品加工行业固体废弃物资源化利用问题，研究人员采用TGA/FTIR/GC-MS联用技术，系统研究了橙皮、菠萝皮等混合生物质的热解特性与动力学参数，揭示了其热解过程中形成的呋喃、酚类等挥发性产物的分布规律，为废弃物转化为生物能源及高值化学品提供了技术依据。

　　

随着全球能源需求增长和气候变化加剧，开发可再生资源成为迫切需求。食品加工业每年产生大量果皮、果渣等废弃物，传统填埋或焚烧处理不仅造成资源浪费，还会导致环境污染。如何将这些富含纤维素、半纤维素和木质素的生物质转化为能源或高值化学品，成为绿色技术领域的研究热点。

为此，Yasmeen Saleh团队选取橙皮、菠萝皮、马铃薯皮和玉米芯四种典型食品加工废弃物作为混合样本，通过热重分析(TGA)结合傅里叶变换红外光谱(FTIR)和气相色谱-质谱(GC-MS)在线联用技术，在5-20°C/min四种升温速率下系统研究其热解行为。研究不仅揭示了热解过程中的质量损失规律，还通过模型计算获得了关键动力学参数，同时鉴定了190°C、280°C和380°C三个特征温度下产生的挥发性有机物组成。

关键技术方法包括：(1)采用TGA在氮气氛围下进行非等温热解实验；(2)通过FTIR实时监测气体产物的官能团特征；(3)利用GC-MS定性定量分析挥发性有机物；(4)运用Flynn-Wall-Ozawa(FWO)和Kissinger-Akahira-Sunose(KAS)等模型计算活化能等动力学参数；(5)基于Coats-Redfern方法确定反应机理。

研究结果显示，混合生物质的热解过程分为三个阶段：130°C以下主要为水分蒸发，130-600°C是主要的热解阶段，600°C以上为炭化阶段。FTIR和GC-MS分析发现，280°C时主要生成呋喃类(21.6%)和酯类(18.6%)化合物，380°C时酚类(16.6%)和芳香族化合物(15%)显著增加。动力学分析表明，活化能(E_a)在216-326 kJ/mol范围内变化，符合随机成核及其后续生长(A_1/3和A_1/4)反应机理。热力学参数计算显示，热解过程为吸热反应(ΔH>0)，且ΔG均为正值，表明需要持续能量输入。

该研究首次系统评估了食品加工混合废弃物的热解特性，证实其可产生具有燃料潜力的烯烃和芳烃，但含氧化合物含量较高，需通过催化加氢脱氧等工艺进一步提质。研究成果为食品废弃物的资源化利用提供了理论基础和技术支撑，对发展循环经济和可持续能源具有重要意义。论文发表在《Green Technologies and Sustainability》期刊，为相关领域的研究提供了重要参考。