木材解剖结构对松木生物炭性能的重要性：基于同步辐射X射线显微断层扫描与N2/CO2气体吸附分析的多尺度表征见解

《Biomass and Bioenergy》：Importance of wood anatomy for pine wood biochar properties: Insights from multiscale characterisation with synchrotron X-ray microtomography and N 2/CO 2 gas sorption analyses

　　

• 利用X射线显微断层扫描与N₂/CO₂吸附进行多尺度孔隙分析。
• 木材解剖结构在烘焙和温和热解条件下得以保留。
• 早材/晚材对孔隙率的影响大于处理温度。
• 微孔（<～0.7 nm）和比表面积在350°C以上急剧增加。
• 所有生物炭的持水量为干重的1.7至5.3倍。

论文解读：木材解剖结构对松木生物炭性能的重要性

研究背景与问题：生物炭因高碳含量和微孔结构，可应用于废水处理、土壤改良、碳封存和储能等领域。其适用性主要取决于孔隙率、比表面积和孔结构等物理化学性质。生物炭通过热化学转化制得，热解通常在200–900°C无氧或低氧条件下进行；烘焙（torrefaction）则是200–350°C的温和热解，具有较高的炭产率和较低的能量需求。温度和停留时间显著影响生物炭产率与性质。木材细胞结构，尤其是软木中早材（earlywood）与晚材（latewood）在细胞尺寸和壁厚上的差异，可能对生物炭孔隙结构产生重要影响。然而，气体吸附技术仅能表征纳米级孔隙，无法捕捉微米级通道和封闭孔隙；X射线显微断层扫描可提供微米尺度的三维结构信息，但多数研究基于实验室体系，且将微米成像与纳米吸附结合的多尺度研究仍有限。在中试规模连续反应器中，原料异质性和工艺条件如何共同决定生物炭孔隙结构仍不清楚。因此，研究人员旨在量化原料品质、烘焙和温和热解对中试连续反应器生产的松木生物炭微米/纳米结构的影响，并将其与持水能力（WHC）关联。该研究发表在《Biomass and Bioenergy》。

关键技术方法：研究人员以瑞典H?lln?s锯木厂提供的去皮欧洲赤松（Pinus sylvestris L）木片为原料，在中试规模连续螺旋反应器中开展3种烘焙（291–315°C，6–12 min）和2种热解（350°C、400°C，25 min）处理；采用同步辐射SOLEIL ANATOMIX线站的X射线显微断层扫描（体素尺寸0.325 μm），结合U-Net深度学习分割早材/晚材；采用N₂（77 K）和CO₂（298 K）气体吸附，分别通过Brunauer–Emmett–Teller（BET）、非局部密度泛函理论（NLDFT）、Dubinin–Radushkevich（D–R）模型和巨正则蒙特卡洛（GCMC）模拟计算比表面积、孔径分布和微孔体积；使用重量法测定WHC，并利用主成分分析（PCA）探索结构变量关系。

研究结果：

3.1 生物炭组成
工业分析和元素分析显示，随着热处理强度增加，固定碳和热值升高；质量产率相近的To315与To308具有相近热值和组成。Van Krevelen图中，H/C和O/C比随处理程度增加而下降；烘焙样品与生物质相似，热解样品更接近煤，说明热解对化学组成的改变比烘焙更显著。

3.2 微观结构
X射线显微断层扫描显示，松木的管胞结构和早材/晚材分层在烘焙和温和热解后基本保留。定量分析表明孔隙率为33%–77%，重复样间差异常超过处理间差异，主要与早材/晚材比例有关；在考察温度范围内未观察到孔隙率随温度的明确趋势。细胞壁厚度随热处理强度增加而下降，热解样品变化最明显。孔径分布向更小直径移动；几乎所有样品中，超过50%的累计孔面积来自等效直径<30 μm的孔隙。PCA前两个主成分解释87.5%方差，早材比例与孔隙率、中值孔径和比表面积聚类，并与壁厚相对立，表明木材解剖结构比处理温度更强地控制微米尺度孔隙结构。

3.3 气体吸附分析
N₂吸附显示BET比表面积较低（约1.2–3.3 m²/g），总孔体积从烘焙到热解下降，NLDFT孔体积无系统趋势。CO₂吸附显示热解样品吸附量显著更高；D–R微孔体积从烘焙样品的0.03–0.06 cm³/g增至Py400的0.19–0.21 cm³/g，特征吸附能也增加。GCMC孔径分布表明，热解样品以<0.7 nm超微孔为主，而烘焙样品孔径分布较宽且发育不充分。CO₂所得比表面积远高于N₂-BET，说明大量微孔在77 K下对N₂不可及；两者差异反映孔可及性、扩散限制和孔颈收缩，不一定仅为封闭孔。因此需联合N₂和CO₂吸附表征碳质材料孔隙。

3.4 持水能力
WHC为干重的1.7–5.3倍，Py350平均值最高，但基于95%置信区间无统计学显著差异，重复样间变异大，可能与早材/晚材组成和孔隙结构差异有关。Py400未继续提高WHC，可能反映微孔发育与原始木材毛细网络保留之间的平衡；表面化学和润湿性未测量，是本研究的一项局限。

3.5 木材解剖结构对生物炭设计与质量控制的意义
结果表明，在烘焙和温和热解条件下，生物炭微米结构主要继承自原料而非由工艺创造。早材/晚材变异是解释结构数据和设计可预测生物炭时必须考虑的因素；解剖特征可用于原料选择、混合策略和质量控制。可靠自动分割仍是量化解剖变异性的挑战，未来可将解剖描述符纳入生物炭性能预测模型。

讨论与结论：讨论部分强调，气体吸附局限于纳米尺度，X射线断层扫描受约1 μm空间分辨率限制，二者所得比表面积不可直接换算，但均显示从烘焙到热解比表面积增加、孔径