木质素含量对生物质颗粒形态的影响及其对木本和草本植物生物能源转化效率的启示

生物质颗粒形态与热质传递特性研究揭示木质素含量及单体的耦合效应，木本草本材料呈现相反的AR趋势，FTIR证实木本S/G比影响颗粒形态，热质传递模型显示AR增大外部传热潜力但增加内部阻力，热重分析表明非线性关系，为预处理优化提供依据。

赵宁鑫|张青欣|李文欣|徐宇武|吴涛|庞成恒

中国宁波诺丁汉大学化学与环境工程系，宁波，315100

摘要

本研究揭示了木质素含量和单体组成对生物质颗粒长宽比（AR）以及相关热质传递特性的共同影响。分析了16种木质和草本生物质在研磨后的化学组成和AR。不同类型的生物质表现出相反的趋势：在草本材料中，木质素含量的增加与较低的AR相关，而在木质材料中，较高的木质素含量则对应较高的AR。傅里叶变换红外光谱分析进一步表明，对于木质生物质而言，丁香基与愈创木基（S/G）的比例与颗粒形态密切相关，愈创木基含量较高的颗粒具有更高的AR。基于球形度的模型被用来评估AR对外部和内部热质传递特性的影响。分析显示，AR的增加增强了理想化的外部传递潜力，同时增加了内部传输阻力。代表性生物质的热重分析证实，AR对表观热解行为的影响是非线性的，反映了外部和内部传输过程的竞争作用。这些结果将木质素化学、颗粒形态和传输行为联系起来，为生物质预处理和生物能源转化提供了指导。

引言

近年来，对可再生能源和可持续资源利用的需求不断增加，推动了基于生物质的能源系统的发展[1]。种子植物的生物质包括多种木质和草本植物种类，被广泛认为是一种丰富且可再生的木质纤维素资源。其热化学转化潜力（如热解和气化）不仅取决于化学组成，还取决于颗粒形态，后者影响产品产量和质量[2]，以及热处理过程中的流动特性、热质传递效率和转化率[3]。特别是颗粒形状和长宽比（AR）对挥发、点火和炭燃烧过程有影响，并且还可以影响反应器系统中的温度分布[4][5][6][7]。这些观察结果表明，颗粒形态与化学组成一起，是决定生物质转化性能的重要因素。

生物质颗粒形态在研磨过程中的形成与植物细胞壁的机械性质密切相关。木质素增加了植物细胞壁的结构刚性，并影响生物质在机械应力下的分解方式。其致密且抗性的结构增强了细胞壁的强度[8]，从而影响了研磨后的颗粒形态。此外，由化学组成、解剖结构（如纤维取向）、含水量和尺寸减小条件引起的生物质变异性被广泛认为是控制粉碎行为和颗粒特性的因素[9]。在这些形状描述符中，AR常用于反映颗粒的伸长程度，并已被证明会影响热解性能[3]。基于这些研究，有必要对比不同生物质类别（如木质和草本物种）中木质素含量对颗粒长宽比的影响，以便在统一的框架内整合化学和形态学视角。

不同类型生物质中的木质素含量差异显著，通常草本植物的木质素含量在5%到20%之间，而木质生物质在20%到30%之间[10,11]。除了含量的变化外，木质素单体的类型也有所不同。丁香基与愈创木基（S/G）单元的相对比例在决定木质素网络中的交联和分支程度方面起着关键作用[12]。这种结构多样性影响了细胞壁的韧性和研磨过程中的断裂行为，进而影响了最终的颗粒形态。大多数现有研究集中在木质素含量对转化过程的宏观影响上，而对木质素结构通过影响颗粒形态的间接作用关注较少。建立化学组成与物理颗粒特性之间的明确关系对于深入理解生物质转化性能至关重要。先前的研究报告称，颗粒长宽比可以影响生物质挥发过程中的热质传递，尽管观察到的效果取决于颗粒尺寸尺度和所考虑的性能指标。Lu等人[13]研究了毫米级生物质颗粒，发现长宽比较高的颗粒热解转化时间显著缩短，缩短幅度可达约2-2.5倍，这归因于表面积与体积比的增加以及热质传递的增强。相比之下，Leth-Espensen等人[6]研究了微米级生物质颗粒（45-75 μm），发现长宽比较低的颗粒具有较低的内部温度梯度和更均匀的挥发行为，从而在热转化过程中提高了加热一致性。因此，更好地理解木质素化学、颗粒形态和热化学转化性能之间的关系对于改进生物质能源系统的预测和优化至关重要。

因此，本研究旨在探讨木质素含量对种子植物生物质颗粒形态的影响，并研究其对热化学能源转化的意义。通过分析16种木质和草本生物质样品在机械研磨后的化学组成和AR，研究了不同植物类型中木质素与颗粒形态之间的关系。此外，还利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）来表征木质生物质中的木质素结构，并应用热质传递建模来研究AR如何影响传输行为。通过这种综合方法，本研究将木质素化学与颗粒形成联系起来，最终与相关的热化学转化性能联系起来，为理解颗粒形态在生物质转化中的作用提供了基础，并为原料选择和预处理优化提供了依据。

部分摘录

生物质材料

选择了16种常见的生物质废弃物样本，包括木质和草本残余物，以代表具有实际热化学转化和废物转能源应用价值的材料。所有原材料均来自中国北部和东部农村地区收集的修剪树枝和废弃作物残余物。木质生物质包括中国栗子、枣、梨、中国桐、柿子、中国 scholar、柏树和松树。草本

稻草中木质素含量与长宽比的关系

根据植物学特征，所研究的16种植物可以分为木质和草本两类。表1总结了8种稻草的化学组成和颗粒尺寸特性，图像显示在图1中。表格显示，纤维素和半纤维素是稻草生物质的主要成分，占比分别为30%到50%和20%到40%，而木质素含量在18%以内。稻草2的木质素含量最高，为17.13%，而玉米

结论

本研究揭示了颗粒长宽比（AR）与木质素含量之间的关系，以及AR如何影响热质传递。研究表明，木质素含量和结构影响了机械研磨过程中形成的生物质颗粒的长宽比，木质和草本生物质表现出相反的趋势。对于木质材料，木质素单体组成（由S/G比例表示）提供了超出总木质素含量的额外颗粒形态信息。

CRediT作者贡献声明

赵宁鑫：撰写——初稿，可视化，方法学，概念化。张青欣：撰写——审阅与编辑，项目管理，方法学。李文欣：可视化，调查，数据管理。徐宇武：可视化，调查，数据管理。吴涛：撰写——审阅与编辑，资源获取，项目管理，资金筹集。庞成恒：撰写——审阅与编辑，可视化，监督，资源管理，项目管理，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢所有为该项目成功做出贡献的各方，无论是财务上还是技术上，特别是来自中国自然科学基金（NSFC）的国际优秀青年科学家研究基金（资助编号：W2532017），以及由中国宁波市科学技术局资助的宁波市公益计划（资助编号：2022S122）和宁波市青年科学技术计划（资助编号：2024QL007）。