利用新型热增强食物垃圾粘结剂将橡胶籽壳碳化制备成型燃料的废物能源化利用

《Cleaner Energy Systems》：Waste-to-energy valorization of rubber seed shells into carbonized briquettes using a novel heat-enhanced food waste binder

　　

• 开发了一种热改性食物垃圾粘结剂，用于橡胶籽壳（RSS）炭成型燃料。
• 热活化（约80°C下处理20分钟）改善了粘结剂的粘聚性和强度。
• 较高的粘结剂含量提高了致密化程度，但降低了固定碳（FC）和热值（HHV）。
• 40 wt.%粘结剂配方实现了强度与热值的平衡。
• 热改性食物垃圾为低成本循环生物经济成型燃料提供了一条可行途径。

橡胶种植业产生大量生物质废弃物，其中橡胶籽壳（RSS）因碳含量高而适合热化学转化为炭成型燃料。炭成型燃料在家庭和小规模工业中日益普及，但传统商业粘结剂如淀粉虽粘结效果好，却推高成本并与粮食供应竞争。食物垃圾（FW）富含碳水化合物、蛋白质和脂肪，可作为低成本的替代粘结剂来源，然而未经处理的食物垃圾粘聚力差，导致成型燃料抗压强度不足。为克服这一瓶颈，研究人员提出通过简单的热处理（煮沸）激活食物垃圾中的淀粉和蛋白质，增强其粘结性能，从而实现橡胶籽壳和食物垃圾的双重资源化利用。

本研究旨在系统评估热处理时间（0–30分钟）和粘结剂掺量（30–50 wt.%）对RSS炭成型燃料性能的影响，并利用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）揭示热活化引起的微观结构变化。原材料方面，RSS采自泰国乌隆他尼府Na Yung地区的橡胶树种子外壳，食物垃圾收集自当地家庭厨房。RSS在约500°C下炭化后粉碎过筛，食物垃圾加水打浆后于80±5°C下分别加热0、10、20、30分钟制得粘结剂。将炭粉与粘结剂按比例混合，在圆柱模具中压制成型，然后在60°C干燥24小时。研究人员测定了成型燃料的堆积密度、水分、挥发分（VM）、灰分、固定碳（FC）、高位热值（HHV）、燃烧速率和抗压强度，并通过FE-SEM观察了代表性样品的微观形貌。数据采用单因素方差分析和Duncan多重比较进行统计。

结果与讨论部分，研究人员首先考察了食物垃圾粘结剂煮沸时间对成型燃料性能的影响。随着煮沸时间从0分钟延长至30分钟，挥发分含量从41.67%显著升高至60.00%，而固定碳从51.78%降至35.03%，HHV从5560 cal/g降至4850 cal/g。燃烧速率从0.792 g/min增至0.850 g/min，抗压强度则从0.307 MPa显著提升至0.497–0.508 MPa，增幅约65%。20分钟煮沸处理被视为最佳条件，因为此时强度和热值达到良好平衡，且HHV（5128 cal/g）仍高于泰国社区产品标准（TISI 238/2547）规定的5000 cal/g。其次，FE-SEM显微分析显示，未经煮沸的粘结剂形成的成型燃料呈现多孔、松散、颗粒边界清晰的结构，而20分钟煮沸粘结剂制备的样品显示出更致密、更连续的基质，粘结剂均匀覆盖颗粒表面并部分填充微孔，增强了颗粒间的桥接和基质粘聚，从微观层面解释了抗压强度的大幅提高。再次，考察粘结剂掺量影响时发现，掺量从30 wt.%增至50 wt.%时，堆积密度从644 kg/m3升至743 kg/m3，抗压强度从0.501 MPa升至0.728 MPa，但挥发分从48.79%升至61.54%，固定碳从45.19%降至29.20%，HHV从5203 cal/g降至4584 cal/g。这种权衡关系符合燃料组成基本原理：粘结剂含量越高，引入的挥发性有机物越多，稀释了碳含量，从而降低热值。综合评估后，40 wt.%粘结剂掺量被确定为最佳配方，该配方既显著提高了强度（0.625 MPa），又维持HHV为5060 cal/g，符合国家燃料级标准。

讨论部分指出，热活化通过淀粉糊化和蛋白质变性等机制增强了粘结剂的粘附性。淀粉加热后吸水膨胀，释放直链淀粉和支链淀粉链，形成凝胶网络；蛋白质变性展开后暴露羟基、羧基和氨基等极性基团，促进分子间键合。这些协同效应形成了多组分粘结机制，改善了颗粒间附着力。从能源角度看，预处理粘结剂所需热量仅占成型燃料产出能量的0.8–1.3%，表明热活化步骤不会显著增加生产能耗。初步估算显示，若利用泰国每年约0.20百万吨橡胶籽壳，结合40 wt.%食物垃圾粘结剂，可年产约0.083百万吨成型燃料，同时消纳约0.033百万吨食物垃圾，避免约0.233百万吨有机废弃物随意处置，每年可减少约5000吨甲烷排放，相当于约140,000吨CO₂当量；替代商业淀粉粘结剂每年可节省约58–177百万泰铢（约170–510万美元）。尽管食物垃圾成分可能随地区与季节变化，且实验室结果不一定完全反映工业规模，但研究结论明确指出：热活化能显著增强食物垃圾的粘结性能，使其成为低成本、可持续的RSS炭成型燃料粘结剂。

结论部分翻译如下：本研究表明，经热处理的食品废弃物可作为由橡胶籽壳生产碳化成型燃料的技术可行且经济上具有前景的粘结剂。通过在沸水中处理20分钟进行热活化，显著提高了粘结剂的粘聚性和抗压强度，这可能与一种多组分粘结机制相关，该机制增强了颗粒间附着力和基体粘聚力，FE-SEM观察显示颗粒桥接和基体结合的增强为此提供了支持。在研究人员先前证明生食品废弃物可作为可持续粘结剂的基础上，本研究强调，可控热活化能够显著提高其实际适用性，通过增强粘结剂性能并促进更致密的成型燃料微观结构。增加粘结剂用量进一步提高了抗压强度，但也降低了固定碳含量和热值，表明机械性能与燃料质量之间存在权衡。40 wt.%的粘结剂含量被确定为最佳条件，在机械强度和能量值之间取得平衡，同时保持燃料级标准。除了技术性能外，所提出的系统还实现了橡胶籽壳和食品废弃物的资源化利用，在减少废弃物、减缓温室气体排放和节约成本方面具有潜在优势。总体而言，这项工作提供了一种简单的方法，有望实现食品废弃物作为橡胶籽壳碳化成型燃料中粘结剂的价值化利用。