塔米莉·维多利亚·杜阿尔特·德索萨（Tâmili Vitória Duarte de Souza）、雅克琳·卡利克斯托·德索萨（Jaqueline Calixto de Sousa）和拉斐尔·卡多索·里亚尔（Rafael Cardoso Rial）
巴西马托格罗索杜苏尔联邦研究所（Federal Institute of Mato Grosso do Sul），邮编79750-000，新安德拉迪纳（Nova Andradina），马托格罗索州（MS）
摘要
咖啡加工残渣，尤其是咖啡渣（Spent Coffee Grounds, SCG），由于其全球范围内的广泛可用性和独特的成分（高脂质含量、有机氮的存在以及内在的矿物质）而成为热化学转化的重要原料。尽管相关文献数量迅速增加，但由于方法学上的差异、质量平衡的缺失以及性能指标的不一致使用，不同热解途径之间的比较仍然受到限制。本文对应用于咖啡残渣的主要热解策略（慢速热解、快速热解、催化热解和共热解）进行了批判性和比较分析，重点关注能源性能、产品质量和工艺权衡。所选研究根据反应器类型、操作条件、产品分布和相关能源特性进行了系统分类，优先考虑了能够有效回收可冷凝产品的研究。总体而言，慢速热解有利于生物炭和可燃气体的生成；而快速热解则通过利用咖啡渣中的脂质部分最大化生物油的产量并提高其能量密度。催化热解策略则将重点从产率转向产品质量，促进适度脱氧和碳向高价值气体组分的重新分配。共热解通过利用咖啡渣与矿物或聚合物共进料之间的化学协同作用，展现出最大的工艺强化潜力。尽管取得了这些进展，但由于缺乏完整的质量和能量平衡、生物油定义的不一致性以及大多数研究仍处于分析或微观尺度，关于比较性能和工业可行性的可靠结论仍然有限。通过批判性地整理现有数据，本文为基于咖啡废弃物增值的热解工艺设计、评估和基准测试提供了坚实的比较框架。
引言
全球农业工业部门每年产生数亿吨有机残渣，其中大部分未被充分利用或处理不当，从而导致环境影响和温室气体排放[1]。在这方面，来自咖啡生产链的残渣因其高产生率和管理的复杂性而尤为突出。据估计，每年产生的咖啡渣约为1000万吨，这些残渣常常采用不适当的处理方式，从而带来环境和公共健康风险[2]。
作为传统处理方法的替代方案，热化学转化已成为将木质纤维素残渣转化为能源载体和高附加值产品的可行策略[3][4]。在各种技术中，热解尤为重要，因为它能够在无氧条件下将固体有机物转化为生物油、生物炭和可燃气体，从而在产品分布和下游利用方面具有灵活性[5][6][7]。
与焚烧和气化等过程相比，热解能够实现更高的产品选择性，并回收可用于燃料、溶剂和化学前体的复杂有机化合物[8][9]。因此，热解已被广泛研究作为转化木质纤维素残渣（包括咖啡废弃物）的有效途径，利用其内在的能量内容和生化复杂性[10]。
近年来，热解技术的重大进展扩展了生物质转化的范围和效率。诸如微波辅助热解、催化热解和共热解等方法被探索用于改善产品分布、提高生物油质量和优化能量回收[11]。同时，反应器设计的创新（包括流化床系统和加热螺旋反应器）也提高了这些过程的传热效率和可扩展性[12][13]。
尽管取得了这些进展，关于咖啡渣热解的文献在技术和方法上仍存在碎片化现象。目前仍缺乏关于这些残渣在不同热解条件下的具体行为的数据，以及对操作参数如何影响产品产量和化学成分的系统理解仍然有限。
在许多研究中，工艺性能主要基于生物油的重量产率进行评估，缺乏标准化的化学表征，也没有明确区分有机相和水相。这种做法阻碍了不同技术、操作条件和反应器配置之间的可靠比较。此外，生物质的内在变异性（与残渣来源、加工路线和预处理相关）以及热参数与分子产物分布之间缺乏一致的相关性，继续对这一技术路径的发展构成挑战[14]。
鉴于咖啡渣在全球范围内的广泛可用性、其结构复杂性以及对分散式能源转化系统的日益关注，迫切需要批判性地评估这些材料对不同热解策略的反应。因此，亟需一篇超越环境框架的综述，从技术和比较的角度总结当前的研究进展，识别数据标准化、质量平衡和产品质量方面的瓶颈，并明确技术发展的方向。
因此，本文旨在对应用于咖啡加工残渣的热解技术进展进行批判性和深入的回顾。分析内容包括所涉及残渣生物的主要物理化学特性、不同的热解工艺及其操作参数，以及产品产量和质量，特别关注生物油、生物炭和气体组分。此外，还讨论了文献中常见的方法学局限性和工艺优化及实际应用的机会，旨在推动咖啡渣热解技术向更稳健、技术更成熟的方向发展。
综述方法与范围
本综述批判性地研究了咖啡加工残渣（咖啡渣，SCG）作为热解工艺原料的用途，这些工艺旨在生产燃料和能源中间体。选择的研究具有实验一致性、技术相关性和适当的产品表征。
文献调研使用了Web of Science、Scopus和Google Scholar数据库
咖啡渣作为热化学过程的原料
咖啡渣（SCG）是在烘焙Coffea spp.豆子制备饮料过程中大量产生的固体残渣，在咖啡店、家庭和食品工业中广泛存在。图1提供了咖啡加工链的示意图，强调了从收获到消费的主要阶段以及随后产生的SCG作为残渣生物质的过程。咖啡渣的慢速热解：以生物炭和气体生产为导向的路径
慢速热解是一种成熟的热化学方法，用于木质纤维素生物质的转化，通常在350至700°C的温度下、惰性气氛中进行，加热速率适中[25][26]。与快速热解相比，这种操作模式有利于生物炭的形成和相对稳定的气体组分，这归因于逐步的挥发、有限的二次裂解和渐进的固体碳化[27][28]。实际上，这些特性...咖啡渣的快速和中等速度热解：最大化液体和能源相关性质
快速热解是一种以高加热速率、极短的气体停留时间和适中操作温度为特征的热化学方法，当主要目标是最大化生物油产量时被广泛应用[45][46]。通常，该过程在450至600°C之间进行，气体在惰性气氛中仅停留几秒钟，这有利于在发生广泛二次反应之前形成可冷凝的有机化合物[47]。这种组合...咖啡渣的催化热解：产品质量提升和碳的重新分配
与传统热解不同，催化剂的使用显著改变了产品分布和反应路径，根据所使用的催化剂类型，促进了脱氧、裂解、环化、脱芳构或芳构化反应[68]。这些变化降低了生物油的氧含量，提高了其高位热值（HHV），并增强了其稳定性——这些属性对于能源应用和集成到生物精炼过程中至关重要[69][70]咖啡残渣的共热解：协同效应和工艺强化
为了综合并突出咖啡残渣与其他材料（生物质、塑料、无机废物和工业流）共同处理时的主要协同效应，表5汇总并比较了选定的共热解研究。该表强调了反应配置、操作条件、催化策略及其对产品分布和质量的影响。表5中总结的研究表明，引入矿物或聚合物...
咖啡残渣热解途径的比较评估：产量、产品质量和工艺权衡
对所研究文献的综合分析表明，SCG的热解不应被视为单一的热化学途径，而应视为一组针对特定能源目标、产品和操作环境优化的不同策略。慢速热解、快速热解、催化热解和共热解在分解动力学、产品分布、燃料导向的质量和技术复杂性方面存在根本差异，因此仅基于生物油重量产率的简单比较是不准确的结论
本综述表明，咖啡加工残渣（尤其是咖啡渣）的热化学行为与传统木质纤维素生物质显著不同，这主要是由于其高脂质含量、有机氮的存在和内在的矿物质组成。这些特性赋予了它们在能源应用方面的巨大潜力，同时也解释了文献中结果的广泛差异。比较分析显示，不同的...
资金声明
本项工作未获得任何公共、商业或非营利机构的资助。利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。致谢
我们感谢马托格罗索杜苏尔联邦研究所（IFMS）和国家科学技术发展委员会（CNPq）提供的研究奖学金，这对完成本研究至关重要。所获得的支持使我们能够全身心投入研究活动，显著促进了这项研究的科学发展。利益冲突声明
作者声明他们与本手稿无关的任何竞争性利益。
