生物质与塑料的共同热解以实现可持续生物炭的生产：机理、反应器技术及循环碳应用

《Biomass and Bioenergy》：Biomass-plastic Co-pyrolysis for sustainable biochar: Mechanisms, reactor technologies, and circular-carbon applications

　　•生物质与塑料的共同热解可以提高生物炭的产量和碳稳定性。•原料、温度和反应器类型决定了生物炭的性能。•生物炭的应用包括土壤改良、温室气体减排、催化和能源领域。•生命周期评估显示，其碳封存潜力可达每年0.92亿吨二氧化碳。•循环碳系统需要标准化和大规模研究。

引言
农业废弃物、林业残留物和其他类型的有机废弃物的副产品是可再生的碳资源。然而，这些废弃物的不当处置会对环境造成威胁，包括甲烷排放和土壤污染[1]。同时，由不可生物降解聚合物（如聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）制成的塑料垃圾由于具有持久性和低回收率而迅速积累[2]。线性经济模型将固体废物视为人类活动的废弃物，认为它是环境污染的主要来源。全球统计数据估计每年产生的固体废物超过15亿吨[3]，其中塑料垃圾尤为受到重视，因为它们会分解成微塑料，可能导致长期的生态和健康风险[4]。此外，化石资源的日益枯竭以及对能源安全和环境可持续性的日益关注，已成为加速向替代能源系统转型的推动力[5]。在这方面，将生物质和选定的固体废物部分通过热化学方法转化为燃料、热能、电力和增值材料已成为支持可持续发展的有前景的途径。每年生产的塑料超过3.5亿吨[6]，其中聚乙烯和聚丙烯占主导地位，其次是聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）[7]。这些塑料在包装、消费品和医疗领域的广泛应用导致了陆地和海洋环境中塑料垃圾的积累。

传统的塑料废物处理方式包括填埋、焚烧和机械或化学回收。然而，这些方法存在局限性，例如填埋需要大量土地，且可能通过渗滤液造成土壤和地下水污染[8]。尽管焚烧可以回收能源，但它会排放有害物质，包括二噁英和其他有毒气体，从而引发环境和健康问题[9]。机械回收受材料劣化的影响，仅适用于某些热塑性塑料，并且需要与原生材料混合以保持质量[10]。这些挑战增加了人们对将塑料废物通过热化学方法转化为燃料、化学品和其他富含碳的材料的热解的兴趣。

热解是循环碳框架内的另一个有前景的途径，因为它可以生产多种增值产品，并适用于多种原料。研究表明，塑料废物（特别是聚烯烃）的含氧量较低，因此热解可产生高能量液体烃[11]。然而，单独处理塑料存在一些问题，如熔融聚合物堵塞反应器、流化系统中的脱液现象以及低闪点的不稳定液态产物的存在，这些问题可能会影响过程的稳定性和可扩展性[12]。因此，生物质与塑料的共同热解成为一种有效策略，其中生物质衍生的含氧物质与富含氢的塑料中间体之间的相互作用促进了氢 transfer、自由基稳定、脱氧和二次裂解，从而改善了生物炭、生物油和气态产品的产量和性能[13]。同时，通过热化学过程（特别是热解）生产生物炭已成为将生物质和塑料废物转化为稳定、富含碳的材料的关键策略[14]。在缺氧条件下生产的生物炭是一种富含碳的固体材料，具有高表面积、孔隙率和化学稳定性，可用于土壤改良、碳封存、能量储存和环境修复[15]。由于热解技术的发展，可以根据不同的热解过程（缓慢、快速和中间过程）定制产品的分布和特性。此外，新技术（如太阳能驱动和微波辅助热解）提高了能源效率，减少了负面环境影响[16][17]。然而，针对液态或气态产品优化的操作条件不一定能产生具有合适孔隙率、表面化学性质、碳稳定性或污染物水平的生物炭。因此，需要一个专门的综合评估来研究过程-性质-应用之间的关系。

现有文献主要从不同的研究角度讨论了生物质和塑料的热化学转化。因此，共同热解机制、反应器和过程选择、生物炭功能、污染物行为和环境性能之间的关系仍然不明确。大多数现有综述集中在单一原料（生物质或塑料）的热解行为上，而不是它们的相互作用[18][19]。其他综述研究了生物质与塑料的共同热解机制及其影响因素[20][21]，或生物炭的生产和应用[22][23]。还有一些研究仅关注特定的原料组合，例如藻类和塑料废物[24][25]，这限制了其发现的普遍适用性。最近，Lv等人[26]研究了来自生物质、塑料和废旧轮胎的热解油性质及其升级，但没有系统地讨论共同热解产生的生物炭。Koutchouo等人[27]综述了椰壳生物炭的生产、活化、应用和生命周期评估，但没有探讨生物质与塑料之间的相互作用或反应器依赖性的生物炭形成。因此，需要一篇综述来连接生物质与塑料共同热解过程中发生的分子和过程层面的相互作用，以及由此产生的生物炭的性质、预期用途和环境后果。

本文通过一种以生物炭为中心的综合评估方法，填补了这一空白。其独特之处在于将原料相互作用和反应器选择与特定应用的生物炭性质、污染物风险和生命周期环境性能联系起来。具体而言，它评估了原料特性和预处理、氢 transfer和自由基相互作用机制、操作参数、反应器和加热技术及其对生物炭产量、孔隙率、表面化学性质、碳稳定性和污染物分布的影响。此外，还将其与农业、环境、催化、能量储存和材料应用联系起来。与Lv等人的以油为重点的综述[26]和Koutchouo等人的单一原料生物炭综述[27]相比，本文批判性地分析了混合生物质-塑料系统中的固体产量、碳稳定性、功能性能和环境安全之间的权衡。在解释封存潜力和生命周期评估（LCA）结果时，本文区分了生物源碳和化石源碳，为评估改进的生物炭性质是否转化为净环境效益提供了基础。最后，本文确定了影响生物炭产量和质量的关键参数，指出了当前的技术和环境限制，并提出了符合循环碳原则和净零排放目标的未来研究方向。

方法论
本文采用结构化的叙述性文献综述方法，批判性地综合了生物质与塑料共同热解在可持续生物炭生产方面的最新进展。本文涵盖了原料特性和制备、塑料废物的热解行为、木质纤维素生物质和塑料原料的预处理和条件调节、共同热解机制、反应器和转化技术、生物炭的形成和性质以及生物炭在循环碳系统中的作用机制。

原料特性和制备
本部分探讨了木质纤维素生物质和废弃塑料作为生产可持续生物炭的原料的有效性，并评估了这些原料特性对下游生物炭生产和质量的影响。

共同热解机制
生物质内容和结构的多样性使得生物质与聚合物的共同热解过程变得复杂。纤维素、半纤维素和木质素构成了生物质的主要成分，并分解成各种酚类化合物和含氧中间体。由于不同类型的原料（如木材、草类或农业废弃物）具有不同的分解行为，因此热解路径非常动态且取决于系统条件。

生物质和废弃物的共同热解
热解是一种将生物质转化为生物炭、生物油和热解气体的热化学转化过程。该过程分为缓慢热解、中间热解和快速热解。这些过程具有不同的特性和应用。缓慢热解通常在最适合生产生物炭的过程条件下使用旋转窑或轴向反应器进行，有利于提高生物炭产量，从而带来生态效益[30]。相比之下，快速热解的目的是最大化...

单原料生物炭研究
来自木质纤维素生物质的生物炭具有0.1至500 m2/g的特定表面积和30–50 cmol/kg的阳离子交换容量（CEC），以及碱性pH值，这些性质增强了在酸性农业土壤中的土壤改良效果[177]。这些性质归因于丰富的含氧表面官能团，如羧基（–COOH）、羟基（–OH）和羰基（C=O），这些官能团源于纤维素和半纤维素的不完全碳化。

生物炭在循环碳系统中的作用机制
来自生物质和塑料共同热解的生物炭作为一种新型多功能碳材料，在循环碳系统中发挥作用，其性能很大程度上取决于其芳香结构、表面化学性质和孔隙率[104]。在碳基质中发生的氢 transfer、交联和芳香化相互作用会改变仅由生物质基质制成的生物炭的物理化学性质，使其更加稳定和可调。

生物炭在循环碳系统中的应用
生物炭作为一种土壤改良剂被广泛使用，因为它可以增强土壤的物理和生物性质[214]。生物炭具有多孔结构，提高了其保水能力。根据Waheed等人（2026）[215]的研究，生物炭具有150至400 m2/g的较高比表面积和25-60 cmol/kg的阳离子交换容量，这对生态系统特别有益，尤其是在干旱地区，因为它增加了土壤的保水能力。

通过生命周期评估（LCA）评估生物炭过程的环境影响
生命周期评估（LCA）是一种用于评估系统环境性能的框架，有助于理解技术的综合影响和进一步理解可持续性权衡[229]。实际上，关于生物炭系统的LCA研究对方法选择、系统边界、功能单元、分配策略和关键背景数据假设非常敏感，这些因素会导致环境影响的重大变化。

生物炭的技术经济评估、政策和碳信用
共同热解的经济学并不是单独生物质热解的经济学的延伸。塑料共混原料有三个特定的成本项目。塑料部分的成本最高，且在分类和清洁方面几乎无法减少。如第3.4节所述，排除聚氯乙烯是保证产品质量和监管接受度的必要条件，而在大规模应用中，分类准确性而非分类成本是关键限制因素[252]。

未来展望和挑战
生物质与塑料共同热解的未来发展需要一种综合方法，以解决根本性和实际问题。关键优先事项包括提高反应器性能、控制原料变异性、开发选择性和耐用的催化剂、建立特定应用的生物炭标准、加强碳核算、加强过程和能源整合，在试点和工业规模上验证技术。

结论
本文表明，生物质与塑料的共同热解是循环碳系统中生产可持续生物炭的一种有前景的策略。生物质提供了稳定的芳香碳结构、矿物质和含氧结构，而塑料废物（聚烯烃）提供了富含氢的中间体，以增强反应路径并定制生物炭的性质。原料组成、热解温度、停留时间、反应器类型以及催化剂的存在的不同组合会影响生物炭的产量和质量。

作者贡献声明
Obie Farobie：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、监督、资源管理、项目管理、资金获取、概念化。
Hemamalini Rawindran：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、数据整理。
Apip Amrullah：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿。
Sanjay Basumatary：撰写 – 审稿与编辑、概念化。
Motasem Y.D. Alazaiza：撰写 – 审稿与编辑、数据整理。
Noureddine El Messaoudi：撰写 – 审稿与数据整理。

数据可用性
数据将在收到请求后提供。

关于生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备本手稿的过程中，作者使用了Scite AI、ChatGPT和PaperPal工具来辅助语言润色、改进措辞和文献识别。这些工具生成的输出经过了作者的批判性评估、修改和验证，作者对手册的准确性、可靠性和最终内容负全责。

利益冲突声明
作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢
作者感谢印度尼西亚高等教育、科学与技术部下的教育捐赠基金（LPDP）通过“提升国际大学影响和质量教育-世界级大学（EQUITY WCU）”计划提供的财政支持，该计划授予的资助编号分别为42011/IT3/HK.07.00-4/P/B/2025和4297/B3/DT.03.08/2025。

参考文献列表
（此处应列出相关参考文献列表）