热解温度调控椰子叶柄生物炭的碳封存潜力与农业残留物可持续管理研究

《Frontiers in Sustainable Food Systems》：Temperature-directed valorisation of coconut frond through pyrolysis for carbon sequestration and sustainable agricultural residue management

　　

专业术语翻译（摘要部分） 椰子叶柄（coconut frond）作为一种大量产生但未被充分利用的农业残留物，研究人员在350 °C、450 °C和550 °C下对其进行热解（pyrolysis），并与传统方法制备的生物炭（BC Trad）进行比较，以评估热解温度对理化特性、燃料性质、碳稳定性及残留物增值化潜力的影响。通过工业分析与元素分析（proximate and ultimate analyses）、BET/BJH比表面积与孔径分析、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、拉曼光谱（Raman spectroscopy）、扫描电子显微镜-能谱分析（SEM-EDS）、总热解碳（TPC）、估算的CO2当量稳定碳保留潜力、燃料与能源指标，以及为期90天的碳矿化培养试验，揭示了显著的温度依赖性转化。生物炭碳回收率在350 °C时最高（78.91%），表明较低热解温度下原料碳保留率更高，而升高温度则逐步提升碳浓度、固定碳、热稳定碳组分、孔隙率及比表面积。BET比表面积从BC Trad的4.45 m2 g?1增至BC550的16.67 m2 g?1，同时伴随孔隙细化及含氧官能团的减少。拉曼光谱显示ID/IG比值从1.28降至0.80，与较高温度下结构有序度和芳香族缩合程度的增加一致。燃料品质亦随温度升高而改善，高位热值（HHV）从20.72 MJ kg?1增至25.56 MJ kg?1，燃料比（fuel ratio）从1.49升至4.26。TPC及估算的CO2当量稳定碳保留潜力在BC350中最高（分别为0.29 kg C kg?1原料和0.86 kg CO2 kg?1原料），而BC550在90天培养期间表现出所有生物炭中最低的表观净土壤系统碳矿化量。此外，其较低的H/C和O/C比值对应模型估算的BC+100稳定性指数为0.720，估算平均驻留时间（MRT）为347.61年，为长期碳持久性提供了模型推导的指示。总体而言，研究结果揭示了碳回收与碳稳定性之间明确的温度依赖性权衡，BC350表现出更高的结构顽抗性和表观短期矿化抗性；因此，最佳热解温度取决于预期最终用途，而非单一处理普遍最优。短期矿化结果与模型推导的稳定性估算共同表明，在优化椰子叶柄热解以实现可持续农业残留物管理、持久性土壤碳封存及循环生物经济应用时，应考虑碳持久性的不同维度。

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一、研究背景与问题

全球范围内农业残留物的大量产生对可持续生物质管理构成重大挑战，尤其是在残留物被露天焚烧或未经有效利用而处置的地区。此类做法不仅造成大气排放和环境退化，还导致潜在可回收碳与能源资源的损失。在此背景下，将农业残留物转化为增值碳质材料，已成为循环生物经济与可持续资源管理框架中的研究热点。椰子种植在亚太地区尤为集中，印度是重要的生产国之一，喀拉拉邦、泰米尔纳德邦、卡纳塔克邦和安得拉邦为主要产区。尽管椰子叶柄具有可观的生物质潜力，但通常被焚烧、任其分解或以有限资源回收的方式处置，造成碳和能源的浪费，同时加剧环境污染。热化学转化技术为这一生物质的增值化提供了替代途径，可将其转化为富含碳的生物炭，应用于土壤管理、碳封存及生物基能源系统。然而，以往对椰子来源生物炭的研究多集中于椰壳、椰壳纤维、椰糠等原料，对椰子叶柄生物炭在不同热解温度下将碳回收、能量回收、结构演化、孔隙发育与碳矿化进行系统整合评估的研究相对不足。因此，亟需在统一实验框架下，系统评估热解温度对椰子叶柄生物炭资源回收、品质及碳持久性之间平衡关系的影响。

二、研究目的与假设

本研究假设：提高热解温度将增强椰子叶柄生物炭的碳化程度、芳香性、结构有序度、孔隙率、燃料品质及碳顽抗性，同时减少挥发分和含氧组分并抑制碳矿化；进一步假设提高温度会在碳与能量回收和所得生物炭的稳定性及功能品质之间产生可量化的权衡。据此，研究目标包括：在350 °C、450 °C和550 °C下评估椰子叶柄生物质向生物炭转化的温度依赖性变化，并以传统方法制备的生物炭作为参照；表征产率、碳回收、理化与结构特性及燃料特性的变化；确定这些转化如何影响碳保留、稳定性及矿化行为；识别与可持续农业残留物管理、碳封存、资源回收及循环生物质增值化相关的温度依赖性权衡。

三、主要关键技术方法

研究人员在印度曼迪亚区V.C.农场农学院椰子种植田采集椰子叶柄，经晒干、切碎至0.5–1.0 cm、105 °C烘干12小时后，在程序控温电热解反应器中于限氧条件下进行热解，升温速率10 °C min^?1，目标温度（350 °C、450 °C、550 °C）下保持2小时，氮气氛围保护。传统生物炭采用覆泥堆烧法约24小时制备，估算温度约400–430 °C。表征手段包括：工业分析与元素分析、BET/BJH比表面积与孔径分析、ATR-FTIR官能团分析、XRD矿物学分析、拉曼光谱碳结构分析、SEM-EDS表面形貌与元素分布分析。碳稳定性评估采用总热解碳（TPC）计算、CO₂当量稳定碳保留潜力估算、原子H/C与O/C比值、模型估算的平均驻留时间（MRT）及BC⁺¹⁰⁰稳定性指数。土壤培养试验采用完全随机设计（CRD），设7个处理（对照、农家肥FYM、蚯蚓堆肥VC、BCTrad、BC350、BC450、BC550），每处理3个独立培养瓶，100 g土壤按1%（w/w）添加改良剂，25 °C下培养90天，以碱液吸收-回滴定法测定CO₂释放量。统计分析采用重复测量混合效应模型（REML）配合CAR(1)相关结构。

四、研究结果

生物炭产率及碳氮回收：生物炭产率从传统生产的33.50%升至350 °C时的最大值59.9%，随后降至450 °C的34.65%和550 °C的29.04%。碳回收率在350 °C时最高（78.91%），氮回收率从350 °C的51.52%降至550 °C的14.52%，表明350 °C对碳和氮的保留与回收均为最佳。

工业组成与热稳定碳组分：水分从BCTrad的5.35%降至BC550的3.65%，挥发分从30.55%降至15.45%，固定碳从45.55%增至65.82%，灰分增至17.46%。热稳定组分从59.85%增至80.99%，表明热解温度升高促进热稳定碳的富集。

物理特性：松装密度从BCTrad的0.43 g cm^?3降至BC550的0.34 g cm^?3，总孔隙率从62.60%增至70.50%，持水能力从231.79%增至298.64%，BC550具有最低松装密度和最高孔隙率与持水能力。

表面化学特性：pH从8.54升至9.55，电导率（EC）从1.12增至1.74 dS m^?1，阳离子交换量（CEC）从18.59增至29.12 cmol(+) kg^?1，总溶解固体（TDS）从720.57增至1040.40 mg L^?1，均随温度升高而增加。

元素组成：碳浓度从BCTrad的56.66%增至BC550的72.97%，氢从5.15%降至3.26%，氧从19.06%降至7.85%，氮和硫分别从0.52%和0.24%降至0.31%和0.15%，磷和钾分别从0.123%和1.091%增至0.140%和1.185%。

元素化学计量比与碳稳定性指数：原子H/C从1.010降至0.536，O/C从0.279降至0.060，C/N从109.18增至236.60，(O+N)/C从0.381降至0.084。估算MRT从184.47年增至371.29年，BC⁺¹⁰⁰从0.428增至0.720，表明高温显著提升模型推导的长期碳持久性。

热解碳稳定性与矿化动态：BC350的TPC最高（0.29 kg C kg^?1原料），估算CO₂当量稳定碳保留潜力最高（0.86 kg CO₂ kg^?1原料）。90天培养中，蚯蚓堆肥和FYM矿化率最高（68.3%和50.3%），生物炭累积CO₂-C释放随温度升高而降低，BC550净排放仅较对照增加76.9 mg kg^?1土壤，矿化率仅1.05%，与对照无显著差异（p = 0.1888）。

燃料与能源特性：高位热值（HHV）从BCTrad的20.72 MJ kg^?1增至BC550的25.56 MJ kg^?1，能量密实化从1.21增至1.49，HHV改善从0.17增至0.33，燃料比从1.49升至4.26，高温生物炭具有更优燃料品质。

五、讨论与结论

研究揭示了碳回收与碳稳定性之间明确的温度依赖性权衡：较低温度（350 °C）最大化碳和氮的回收率及总热解碳保留，而较高温度（550 °C）则增强结构有序性、芳香缩合、孔隙发育、燃料品质及模型推导的长期碳持久性。值得注意的是，BC350在90天短期培养中表现出与BCTrad相近的矿化水平，而BC550的短期矿化最低，但其模型推导的长期稳定性指标（MRT 371.29年，BC⁺¹⁰⁰ 0.720）最优。这表明碳持久性存在不同维度：短期矿化抗性与长期模型稳定性估算应分别考量。研究结论指出，最佳热解温度取决于预期最终用途——若以碳回收和养分保留为主要目标，350 °C较为适宜；若追求长期土壤碳封存和燃料品质，则550 °C更具优势。该研究为椰子叶柄这一废弃资源的循环增值化提供了系统的温度-功能关系框架，对可持续农业残留物管理、土壤碳封存策略及循环生物经济应用具有重要指导意义。