大蕉皮生物质作为能源生产原料的潜力与适宜性评价

《Biomass》：Investigation on the Potential and Suitability of Novel Plantain Peel Biomass for Energy Production

　　

生物质尤其是农业废弃物已成为 domestically 和工业应用中极具吸引力的替代燃料来源。本研究考察了大蕉皮生物质（PPB）作为生物能源生产可行原料的适宜性与潜力。研究人员对PPB进行了全面的工业分析（proximate analysis）与元素分析（ultimate analysis）、热重分析（TGA）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）以及扫描电子显微镜耦合能量色散X射线光谱（SEM-EDS）表征。实验结果表明，大蕉皮（果皮）占未去皮大蕉总重量的质量比为27%至47%。PPB的工业分析得到挥发分（VM）65.8%、固定碳（FC）14.5%，提示其具有可观的能量潜力。基于干燥无灰基的元素分析结果用于确定生物质高位发热量（HHV），其范围为13.93至16.35 MJ/kg。TGA显示PPB的热分解符合木质纤维素类生物质的典型特征，在25至1000 °C温度区间内分三个明显阶段进行。FTIR识别出O-H与C-H为PPB中关键官能团，进一步支持其作为生物燃料的可行性。此外，SEM显微图像揭示其表面呈多孔纹理且颗粒尺寸与形状不均一；同时EDS确认碳（C）、钾（K）、氧（O）为优势元素，并伴有微量镁（Mg）、硅（Si）、磷（P）、氯（Cl）和铁（Fe）。综上，PPB是一种在家庭与工业领域均具前景的可持续生物燃料生产原料。

研究背景与立项依据

生物质燃料是广泛替代化石燃料的重要可再生与环境可持续能源，可通过直接燃烧、热化学过程（如热解与气化）及化学或生物方法转化为生物炭、乙醇、生物柴油与沼气等能源产品。农业生物质因储量丰富且可再生备受关注，其能量潜力主要受纤维素、半纤维素和木质素等有机组分影响，无机灰分元素则关系着液体或固体燃料的适用路径。尽管稻壳、玉米芯、棕榈仁壳等农业残余物已被广泛研究，大蕉皮生物质（PPB）作为能源原料却鲜有报道。大蕉（Musa paradisiaca）在热带地区尤其西非为主食作物，果皮占单果重量27%–47%，加工后多被丢弃，随着全球需求上升将带来愈发严峻的农业废弃物环境压力。表征是评估生物质能源适宜性的基础，可指导预处理与转化技术选择、估算热值与系统设计。本研究以利比里亚Harper地区来源的新颖PPB为对象，旨在填补该国该原料能源化表征空白，呼应减量化、再利用与再循环原则及多项可持续发展目标（SDGs）。

主要技术方法概述

研究人员采集利比里亚Maryland County Harper市的大蕉皮，经清洗、常温长期干燥、粉碎过筛至平均粒径70微米后备检。核心表征技术包括：气体比重瓶法测粉末与灰分密度；按ASTM D3172炉法流程测定水分（MC）、挥发分（VM）、灰分与固定碳（FC）的工业分析；按ASTM D5142以氮气氛20 °C/min升温至1000 °C的TGA热解行为分析；按ASTM D5373以纯氧燃烧元素分析仪测C、H、N、S并差减法得O的元素分析，并借经验模型算高位发热量（HHV）；KBr压片FTIR在400–4000 cm^?1扫描官能团；碳镀膜后JEOL SEM-EDS观测形貌与主量/微量无机元素。

研究结果

3.1 密度与质量分数

果皮占未去皮果27%–47%，果体越大皮占比越高；PPB粉末与灰分密度为2.34 g/cm³。

3.2 工业分析结果

PPB的VM达65.8%、FC为14.5%，属高挥发分木质纤维素废物；高VM利于快速引燃与火焰传播，FC支撑持续燃烧与型炭制备。灰分含量处于农业生物质常见区间，低灰偏好洁净燃烧，高灰可通过与锯末等低灰料共混缓解结渣。

3.3 元素分析与发热量

干燥无灰基元素分析显示C、H为供能主元，O、N升高拉低能量密度；经多模型推算HHV为13.93–16.35 MJ/kg，与乌干达部分稻壳及混合木屑相当，低于棕榈仁壳等。硫含量相对偏高，提示SO₂排放与腐蚀风险需关注。

3.4 TGA-DSC与TGA-DTG

氮气氛下失重分三阶段：50–200 °C失水失气约8.7%；200–650 °C为主动热解，失重约61.57%，依次对应半纤维素、纤维素（~300 °C最大失重峰T_max）与木质素降解；650–1000 °C缓慢炭化，终残炭加灰分约29.73%，证实典型木质纤维素热解轨迹。

3.5 FTIR分析

4000–500 cm^?1谱图检出O-H伸缩（结合水或醇类）、C-H（烃骨架）、C-O（纤维素/半纤维素/木质素结构）及指纹区卤代物特征，从分子水平佐证其热反应活性与生物燃料适配性。

3.6 SEM-EDS分析

SEM显示颗粒呈椭圆、片状及不规则状、表面多孔，利于催化剂渗透提升生化/热化学转化效率；EDS定性检出C、O、K为主，含Mg、Si、P、Cl、Fe微量，K/Cl/S等需注意燃烧结渣与预处理脱除。

3.7 优势与局限

研究兼具农业废物管理与能源多元化双重价值，但受限于实验室全流程转化平台不足及收运处理成本。

讨论与结论翻译

讨论指出，区域来源差异（利比里亚vs尼日利亚等）导致理化性质不可简单迁移，凸显属地化表征必要；PPB的高VM/适中FC、典型三阶段热解、O-H/C-H官能团与多孔形貌共同构成其能源化科学基础，但硫与碱金属需在前处理中管控。

结论：i. 大蕉消费产生大量PPB，不回收将致污染；ii. PPB可燃组分（VM+FC）约80%，能量潜力显著；iii. O-H与C-H键存在进一步支持其作为生物燃料原料，前者示含水化合物、后者增热值；iv. SEM表明粉末与灰分具椭圆/片状/不规则多态及多孔表面，或影响流动与堆积。未来工作应聚焦PPB向生物乙醇与型炭等固体生物能源产品的转化。该文发表于《Biomass》。