从入侵物种到可再生生物油：黑木金合欢（Acacia Melanoxylon）的热化学液化转化路径

本研究针对入侵物种黑木金合欢的资源化利用难题，通过响应面法（RSM）优化其全株生物质的热化学液化工艺。研究在170°C、30分钟及10%催化剂浓度下获得86.42%的生物油产率，其高位热值（HHV）达32.93 MJ/kg，能量密度化比率（EDR）为1.94。该工作为入侵植物治理提供了绿色转化路径，对可再生能源开发与生态环境保护具有重要意义。

　　

在地中海地区，外来入侵植物正对本地生态系统构成严重威胁。其中原产于澳大利亚的黑木金合欢（Acacia Melanoxylon）自19世纪引入葡萄牙后，因其强大的种子繁殖能力和环境适应性，已成为伊比利亚半岛重要的入侵物种。传统清除方法需要持续投入大量资金进行田间管理，而将这些生物质转化为高附加值产品，不仅能够控制入侵物种扩散，还可为可再生能源开发提供新途径。

发表于《Biomass and Bioenergy》的这项研究开创性地采用全株黑木金合欢（包括树叶、枝条和树干）作为原料，通过酸催化热化学液化工艺将其转化为高能量密度的生物油。研究人员采用响应面法（RSM）中的Box-Behnken实验设计，对反应温度（100-170°C）、反应时间（30-200分钟）和催化剂浓度（0.5-10% w/w）三个关键参数进行优化，建立了准确的预测模型（调整R2=0.944）。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、热重分析（TGA）、核磁共振（NMR）和扫描电子显微镜（SEM）等多维表征手段，深入解析了原料及产物的理化特性。

关键技术方法包括：从葡萄牙辛特拉山采集全株黑木金合欢样本；采用对甲苯磺酸（pTSA）为催化剂、2-乙基己醇为溶剂的热化学液化工艺；基于Box-Behnken设计的响应面优化方法；结合FTIR-ATR、元素分析、TGA、¹H NMR和SEM等分析技术对原料、生物油和固体残渣进行系统表征。

3.1. 生物质的化学表征

原料的最终分析显示其碳、氢、氧含量分别为42.44%、6.22%和51.34%，高位热值（HHV）为14.07 MJ/kg。通过TGA-DTG曲线反卷积分析确定其生化组分为：纤维素34.17%、半纤维素29.22%、木质素27.25%，这种典型的木质纤维素组成为其后续液化提供了良好的基础。

3.2. 生物质液化

在170°C、30分钟反应时间和10%催化剂浓度条件下获得最高液化产率86.42%。建立的数学模型准确预测了工艺参数与产率之间的关系，温度（X₁）和催化剂浓度（X₃）是影响产率的主要因素，而反应时间（X₂）影响相对较小。验证实验证明模型具有良好的预测准确性。

3.3. 傅里叶变换红外光谱分析

FTIR-ATR光谱分析表明，生物油样品在1740-1700 cm^-1处出现C=O羰基特征峰，表明半纤维素转化产生的醛、酮或羧酸类化合物；1200-1000 cm^-1区域的C-O伸缩振动证实羟基从固体部分向液化产物的转移。

3.4. 生物油和固体残渣的高位热值

最优条件下获得的生物油HHV达到32.93 MJ/kg，能量密度化比率（EDR）为1.94，表明液化过程显著提升了原料的能量密度。元素分析显示生物油的O/C比从原料的0.89降至0.46，证实了有效的脱氧过程。

3.5. 热重分析

TGA分析揭示生物油在150-220°C区间出现38.31%的质量损失，对应轻质衍生物的挥发；220-360°C区间28.44%的质量损失归因于较重组分的分解。采用交点法（IM）测定生物油的着火温度（T_i）为176°C，燃尽温度（T_b）为496°C。

3.6. 工业分析

proximate分析显示生物油具有较低的灰分含量（0%），而挥发性物质含量达64.3%，固定碳含量32.3%，表明其作为燃料具有良好的燃烧特性。

3.7. 核磁共振分析

¹H NMR分析显示生物油中59.64%的质子位于0.5-1.5 ppm区间，表明高脂肪族含量；13.25%的质子出现在6.0-8.5 ppm区间，证实芳香族化合物的存在。这种化学组成分布反映了木质素和纤维素分解产物的复杂混合物特征。

3.8. 扫描电子显微镜分析

SEM分析显示液化后固体残渣的形态结构发生显著变化，高转化率样品呈现疏松多孔结构，而低转化率样品则保持相对完整的纤维结构，表明液化过程对生物质结构的破坏程度与转化效率直接相关。

该研究通过系统优化的热化学液化工艺，成功将入侵物种黑木金合欢全株转化为高附加值的生物油，最高产率达86.42%，能量密度提升94%。研究建立的数学模型为工艺预测和优化提供了可靠工具，多维表征结果深入揭示了转化过程中的化学变化和结构演变。这项工作不仅为入侵植物治理提供了资源化利用方案，也为木质纤维素生物质的高值化转化提供了技术范例，对促进可再生能源发展和实现碳中和目标具有重要意义。未来研究可进一步关注工艺放大、环境影响评估和产品精制等方向，推动该技术向产业化应用发展。