《Biomass and Bioenergy》：Structure-property-combustion performance of starch-bound briquettes from hydrothermally pretreated pineapple leaves
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农业残余物作为致密化固体燃料的可再生原料日益受到重视，但其直接利用受限于堆积密度低、颗粒特征不均、内聚力弱及含水率波动大等问题，从而增加了处理、储存与运输成本。致密化可将松散木质纤维素材料转化为具有更优体积特性与处理性能的紧凑燃料。本研究以水热预
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农业残余物作为致密化固体燃料的可再生原料日益受到重视，但其直接利用受限于堆积密度低、颗粒特征不均、内聚力弱及含水率波动大等问题，从而增加了处理、储存与运输成本。致密化可将松散木质纤维素材料转化为具有更优体积特性与处理性能的紧凑燃料。本研究以水热预处理菠萝叶（Ananas comosus (L.) Merr.）为原料，系统评价了玉米、西米、大米、马铃薯和木薯五种植物来源淀粉在20%、30%和40%三种标称添加量下制备的成型燃料性能。研究采用两阶段筛选与验证设计：首先在各淀粉组内筛选标称密度最高的配方，随后对入选配方进行重复验证，最终获得CS-40、SS-20、RS-20、PS-30和TS-20五种候选配方及无黏结剂对照组。研究整合了物理力学性能、工业分析、高位热值（HHV）、炉灶燃烧对比、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）及热重/微分热重（TG/DTG）分析，以揭示结构—性质—燃烧性能之间的关联。结果表明：CS-40配方实现1.65 MPa的抗压强度、19.87 MJ kg?1的高位热值及162 min的燃烧持续时间；PS-30配方获得最高高位热值（19.94 MJ kg?1）和最低灰分含量（7.40%）；TG/DTG行为并不能直接预测完整成型燃料的实际燃烧性能。研究证实，水热预处理结合淀粉黏结可实现菠萝叶生物质的高效燃料致密化，为农业残余物的能源化利用提供了可行的技术路径。
论文解读文章
一、研究背景与问题
农业残余物作为可再生固体燃料原料具有巨大潜力，但其直接利用面临堆积密度低、颗粒特征不均、内聚力弱和含水率波动大等固有缺陷，显著增加了处理、储存和运输成本。致密化技术可将松散的木质纤维素材料转化为体积特性更优、操作性更强的紧凑燃料，但燃料质量不能仅以密度衡量，机械完整性、工业组成、热值、热行为及燃烧性能需综合评估。
菠萝种植过程中产生大量叶片、冠芽、茎、果皮和果芯等木质纤维素残余物。菠萝叶富含纤维素和半纤维素，已被研究用于纤维回收、碳水化合物转化和生物能源应用。水热预处理利用加压热水可在不引入化学催化剂的情况下改变木质纤维素基质结构，促进结构破坏并提高富碳水化合物组分的可及性。然而，针对水热预处理菠萝叶制备非碳化成型燃料的力学、燃料、热及燃烧性能的系统研究仍然有限。
黏结剂选择在手动或低压成型工艺中尤为关键，因为此条件下施加的压力和温度可能不足以在木质纤维素基质内产生充分的自然结合。糊化淀粉可形成黏附相，包覆生物质颗粒、渗入可及孔隙，并通过氢键、聚合物链缔合、物理缠结、机械互锁、孔隙填充和固体桥接等机制促进颗粒间结合。不同植物来源淀粉在直链淀粉与支链淀粉结构、颗粒形态、溶胀响应、糊化行为、糊黏度、保水性和回生特性上存在显著差异，这些理化差异可能影响黏结剂分布、颗粒堆积、干燥行为和固化基质的连续性。然而，现有证据多集中于宽泛黏结剂类别比较、有限淀粉来源、碳化原料或不同加工条件下的配方，且性能评估常局限于少数指标。密度不能直接量化抗机械破坏能力，高位热值代表总热计量能量而非炉灶条件下的有效供热，小颗粒研磨样品的热重行为也无法再现完整成型燃料的燃烧过程。因此，在匹配制备条件下，将淀粉依赖性基质结构与力学完整性、燃料质量、热降解和实际炉灶性能相关联的系统证据仍然缺乏。
二、研究内容与结论
研究人员以水热预处理菠萝叶为原料，选用玉米、西米、大米、马铃薯和木薯五种植物来源淀粉作为黏结剂，在20%、30%和40%三种标称添加量下制备成型燃料。采用两阶段筛选与验证设计：筛选阶段包含一个无黏结剂对照组和15种配方，每种配方制备一个成型燃料，以标称密度为筛选指标；验证阶段对每个淀粉组中标称密度最高的配方进行三次重复验证，最终确定CS-40、SS-20、RS-20、PS-30和TS-20五种候选配方及对照组。研究整合物理力学性能、工业分析、高位热值、炉灶燃烧对比、FTIR、SEM和TG/DTG分析，系统考察结构—性质—燃烧性能之间的关联。
研究结果显示，配方差异显著影响成型燃料的综合性能。CS-40配方实现1.65 MPa的抗压强度、19.87 MJ kg?1的高位热值和162 min的燃烧持续时间，表现出力学性能与燃烧性能的良好平衡；PS-30配方获得最高高位热值（19.94 MJ kg?1）和最低灰分含量（7.40%），燃料品质优异。值得注意的是，TG/DTG热降解行为并不能直接预测完整成型燃料的实际燃烧性能，表明小样品热分析与整块燃料燃烧之间存在尺度差异。研究证实水热预处理结合淀粉黏结可有效实现菠萝叶生物质的燃料致密化，为农业残余物的高值化能源利用提供了可行的技术方案。
三、关键技术与方法
本研究采用的主要技术方法包括：水热预处理技术，将菠萝叶生物质与蒸馏水按1:10固液比混合，在121 °C、自生压力条件下处理30 min，以破坏木质纤维素结构并提高组分可及性；两阶段筛选与验证实验设计，以标称密度为筛选指标确定候选配方；抗压强度测试，使用万能试验机以1 mm min?1的十字头速度进行轴向压缩直至结构破坏；工业分析方法，依据ASTM E1755-24标准测定灰分含量，挥发分和固定碳按相应标准测定；高位热值测定；傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析官能团特征；扫描电子显微镜（SEM）观察微观结构；热重/微分热重（TG/DTG）分析评价热降解行为；以及对比炉灶燃烧试验评估实际燃烧性能。样本采集自马来西亚砂拉越州美里市TG Agro Fruits Sdn Bhd的三个地点。
四、研究结果
物理与力学性能。 通过含水率测定、校正干质量计算和标称密度评估，结合抗压强度测试发现，配方组成显著影响成型燃料的致密化程度和力学完整性。CS-40配方达到1.65 MPa的抗压强度，表明玉米淀粉在40%添加量下能形成有效的颗粒间黏结网络。
工业分析与高位热值。 灰分含量、挥发分和固定碳的测定结果显示，PS-30配方具有最低灰分含量（7.40%）和最高高位热值（19.94 MJ kg?1），表明马铃薯淀粉在30%添加量下有利于获得更优的燃料品质。
炉灶燃烧性能。 对比燃烧试验显示，CS-40配方实现162 min的燃烧持续时间，在五种候选配方中表现最为突出，说明其在实际燃烧条件下的持续供热能力最佳。
光谱与显微结构分析。 FTIR分析揭示了不同配方中官能团特征的差异，SEM观察显示了淀粉黏结剂在生物质颗粒间的分布形态和界面结合状态，为理解力学性能差异提供了微观结构证据。
热重分析。 TG/DTG曲线反映了不同配方在程序升温条件下的热降解行为，但研究发现小颗粒样品的热重行为并不能直接预测完整成型燃料的实际燃烧性能，提示热分析结果的外推需谨慎。
五、讨论与结论
讨论部分指出，不同植物来源淀粉在直链淀粉与支链淀粉结构、糊化特性和黏结行为上的差异，会传导至成型燃料的力学性能和燃烧表现。CS-40配方在力学强度与燃烧持续时间之间实现了较好平衡，而PS-30配方在燃料品质指标上表现优异，说明不存在单一最优配方，配方选择需根据目标应用场景权衡各项性能指标。研究同时强调，20%-40%的标称黏结剂添加量属于探索性筛选范围，而非商业生产推荐用量；由于这些淀粉具有食品和工业用途，高黏结剂需求可能限制其在大规模应用中的经济性和可持续性，后续优化应探索更低淀粉用量及非食用或残余物来源的黏结剂。
研究结论认为，水热预处理结合淀粉黏结可有效实现菠萝叶生物质的燃料致密化。配方组成显著影响成型燃料的力学性能、燃料品质和燃烧行为，其中CS-40和PS-30分别在不同性能维度上表现突出。热重分析行为与完整成型燃料燃烧性能之间的非直接对应关系提示，成型燃料性能评估应采用多指标综合策略。该研究为农业残余物的高值化能源利用提供了系统的配方设计依据，也为后续在更低黏结剂用量和替代性黏结剂方向上的优化研究奠定了基础。
