伊斯拉克·马希亚特 | 阿利夫·阿拉芬·普罗德汉 | 穆罕默德·马布布·阿拉姆 | 穆罕默德·穆赫莱苏尔·拉赫曼 | 穆罕默德·海鲁尔·哈桑·布伊扬 | 穆罕默德·卡姆鲁尔·哈桑·法基尔
学生，建筑系，阿赫萨努拉科技大学，达卡-1208，孟加拉国
**摘要**
在发展中国家，经济实惠的实验室规模热解反应器非常稀缺，这限制了生物质的分散式利用。本研究介绍了一种低成本、慢速热解 batch 反应器的工程设计、制造和性能评估，适用于学术研究和小规模的农村应用。该反应器使用 SketchUp 进行建模，并在当地制造，其设计操作温度为 1000°C，实验验证的操作温度范围为 450-700°C。总建造成本为 557.02 美元，平均生物炭运行能源成本为每公斤 0.37 美元，与其他报道的低成本和试点规模系统相比具有优势。四种原料（家禽粪便、骨头、稻壳和木片）被转化为生物炭，产率根据原料和温度的不同在 14.8-43 wt.% 之间变化。对 450°C 和 600°C 下的生物炭进行了详细表征，发现含氧官能团随温度降低（傅里叶变换红外光谱，FTIR）；从非晶碳转变为层状碳（X 射线衍射，XRD）；表面粗糙度和孔隙扩大（扫描电子显微镜，SEM；仅定性观察）；以及总重金属浓度降低，均符合国际生物炭倡议（IBI）的阈值要求（电感耦合等离子体质谱仪，ICP-MS）。冷凝液体副产物主要为水，表明其作为燃料的潜力有限。在两种水稻品种上的短期田间应用仅在 BRRI Dhan-88 的抽穗期对地上部分和总生物量产生了统计学上的显著影响。通过结合多种原料处理、冷凝物回收以及在一个当地制造的平台上集成 FTIR、XRD、SEM 和 ICP-MS 表征技术，该反应器为资源受限地区的生物质残渣转化提供了一条可复制且低成本的方法。
**1. 引言**
随着全球小规模和大规模农业及畜牧业产业的迅速发展，近年来产生的生物质废物量大幅增加[1]。如果管理不当、处置不当或未经处理，这些废物可能导致环境污染、土壤退化、地表水及地下水污染和温室气体排放[2,3]。为应对这些挑战，生产附加值高且环保的材料（如生物炭）已成为一种可持续的废物管理方法，吸引了大量研究关注[4,5]。
热解是一种热化学转化过程，其中生物质在缺氧或氧气有限的条件下转化为生物炭（固态部分）、生物油（液态部分）和合成气（气态部分）[6,7,8,9,10,11]。本研究采用慢速热解过程，其加热速率为 0.07-0.33°C/s，操作温度为 300-900°C，固体停留时间为 1-740 分钟[51]。
生物炭是一种富含碳的固体，可通过增强土壤微生物活性、保持水分、碳封存和固定污染物来改善土壤肥力，同时还可应用于水净化、能量储存、催化剂或光催化剂生产、废水处理以及锂离子电池电极材料的开发[12,13,14,15,16,17,18,19]。此外，生物质衍生的碳质材料在提高机械性能、热行为、可降解性和电磁干扰屏蔽方面具有潜力[20,21,22]。
生物炭除了含有碳外，还含有少量氧气、氢和无机元素（灰分）[23]；生物油由水和各类含氧有机化合物（如醛、酮、酸、醇、糖、脱氢糖和酚类）组成[24,25,26,27]；气体（不可冷凝蒸汽）则包含 CO2、CO、H2、CH4 和其他轻质烃（CxHy）[25,26,28,29]。
生物炭的生产和应用是重要的气候变化缓解措施，因为它可以封存稳定的碳并减少大气和土壤中的温室气体排放[30,31,32,33,34,35]。政府间气候变化专门委员会（IPCC）已将生物炭视为实现全球和国家净零二氧化碳和温室气体排放所需的二氧化碳去除（CDR）方法[36]。
不同动物的骨骼和粪便等 livestock 废物正在被探索作为生物炭、生物燃料和合成气的生产原料，因为它们是温室气体的主要来源[37,38]。此外，稻壳是亚洲国家最丰富的农业废弃物之一[39]。这些生物质（如骨骼、粪便、垫料、废弃饲料、稻壳和稻草）含有大量的纤维素、半纤维素、木质素和果胶等有机物质[40,41]。因此，这些生物质的热解产生的生物炭具有众多孔隙、含氧官能团和芳香表面[42]。
热解研究和生物质分散化利用的进展受到经济实惠反应器供应不足的限制。市场上大多数可用反应器设计用于试点规模或工业规模应用，这使得它们在发展中国家尤为昂贵[43,44]。依赖进口部件使得部件更换和维护变得困难且成本高昂[43]。低成本、实验室规模、本地制造且开放使用的热解 batch 反应器仍然研究不足且数量稀少，特别是在最需要生物炭的地方，形成了采用生物炭的结构性障碍。此外，关于低成本反应器的现有研究范围有限。以往的设计主要集中在特定应用上，例如生产用于家庭烹饪和取暖的木炭[45]、改善塑料废物热解过程中的原料混合[46]，或升级适用于生物炭生产的生物燃料托盘[47]，但通常缺乏广泛的应用性。Ibitoye 等人在 2025 年的最新工作是少数专注于研究和基于学术的反应器设计的努力之一[43]。尽管他们的反应器可以收集固体、液体和气体，但存在热梯度问题，对内部热量分布的控制有限。此外，他们的研究未量化反应器制造成本或生物炭运行能源成本，仅报告了产品产率（%），而没有通过 FTIR、XRD 和 ICP-MS 等表征技术评估产品质量。总体而言，大多数面向反应器设计的研官认为缺乏详细的产品质量评估[48,49,50]。
为解决这些问题，本研究设计并开发了一种适用于实验室规模研究和发展中国家小规模分散式农村应用的反应器。反应器模型使用 SketchUp 软件开发，并在当地工程 workshops 中制造，证明了使用本地材料构建自主反应器的可行性。除了设计外，本研究还包括工程性能评估和科学验证，报告了产品的官能团、结晶度、形态和重金属浓度。所开发的反应器可以控制热解条件（最终温度、停留时间），使其具有过程导向性和实验严谨性。本研究还量化了反应器制造和生物炭运行能源成本。
因此，本研究的主要目标是展示适用于实验室研究和发展中国家小规模分散式农村应用的低成本热解反应器的工程设计、本地制造过程和经济可行性。次要目标是验证该反应器在其操作温度范围内生产结构独特、农艺安全的生物炭的能力，包括在不同生物质原料下的生物炭产率评估（450°C 至 700°C），以及 450°C 和 600°C 下生物炭的温度依赖性结构变化，还有冷凝液体副产物的物理化学表征。第三目标是初步评估生物炭对两种高产水稻品种生长和产量的短期影响，为长期评估提供基础农艺数据。
总体而言，这项工作促进了资源受限地区负担得起且可持续的生物质转化系统和分散式废物利用途径的发展，符合循环经济实践的要求。此外，该工作还为实现多项联合国可持续发展目标（SDGs）做出了贡献，包括 SDG 9（产业、创新和基础设施）、SDG 12（负责任消费和生产）、SDG 13（气候行动），并与 SDG 2（零饥饿）、SDG 7（负担得起和清洁的能源）、SDG 11（可持续城市和社区）及 SDG 15（陆地生命）相关。
**2. 方法与材料**
生物炭是在孟加拉农业大学（BAU）物理实验室设计的反应器中，通过慢速热解过程与冷凝液体副产物一起生产的，热解温度各不相同。结构和物理化学实验在 BAU 的中央实验室、达卡的孟加拉原子能委员会（BAEC）以及达卡的孟加拉科学与工业研究委员会（BCSIR）进行。此外，生物炭处理对植物生长和产量参数的短期影响也在 BAU 的土壤科学田间实验室进行了实验。
**2.1. 生物质原料的选择与准备**
牲畜废物（家禽粪便、骨头）从 BAU 的家禽农场收集，而稻壳和木片分别从附近的稻米厂和锯木厂收集。然后，这些原材料在阳光下直接晾晒五天以降低水分含量，达到最低水平。每种原料的最终水分含量低于 30%，但具体数值未记录，这可能引入质量平衡计算的不确定性，因为残留水分会影响热解产物的产率[52]。未来的工作将采用标准化的水分测定方法（如 ISO 18134-2）来提高质量平衡和产量估计的准确性。
**2.2. 热解反应器的设计与制造及其工作原理**
圆柱形热解反应器的设计和制造考虑了理论原则和实际限制，适用于实验室规模研究和小规模农村应用。设计考虑了关键的热解参数，如操作温度、加热速率和停留时间，以优化热化学转化和生物炭质量[23,53]。原材料的物理化学特性也被考虑在内，因为它们对热解过程中的热分解行为和生物炭产率有显著影响[54]。综合考虑这些因素，该反应器在 Mymensingh 的当地工程 workshop 中制造。
图 1(a) 和图 1(b) 分别显示了反应器系统的示意图和工作原理的 3D 模型，图 1(c) 显示了实际制造的反应器系统照片。表 1 说明了反应器系统的规格。
**表 1. 反应器规格**
| 组件 | 规格 |
|------|------|
| 消化室（反应器） | 材料：高强度钢 | 高度（英尺）：2.5 | 外径（英寸）：8.5 | 内径（英寸）：7.5 | 壁厚（英寸）：1 |
| 加热线圈 | 材料：陶瓷线圈 | 容量（°C）：最高 1000° | 功率（瓦特）：每圈 3000W（共 3 圈） | 加热速率（°C/分钟）：3.75（450°C），5（600°C），5.83（700°C） |
| 停留时间 | 小时：1（所有温度） | 等温生产速率（克/分钟）：6.67-21.5（取决于温度和原料） |
| 冷凝器-1 | 材料：铜螺旋管 | 长度（英尺）：200 | 直径（英寸）：0.5 | 体材：低碳钢 |
| 冷凝器-2 | 冷却剂通道：铜螺旋管 | 蒸汽通道：铝螺旋管 | 冷却剂：R-134a（CH2FCF3 气体） |
| 冷却系统 | 冷凝器-1：水冷 | 冷凝器-2：压缩机制冷 |
| 熔炉 | 材料：低碳钢 |
生物质的热解使用该反应器装置进行，包括炉内的热解消化室、三个陶瓷加热线圈、两个冷凝器（第一个使用铜管，第二个使用铝管和压缩机），如图 1 所示。线圈能够提供恒定温度的受控加热（最高 1000°C）。加热室顶部有一个通风口，通过耐热塑料管连接到第一个冷凝器；另一个耐热塑料管从第一个冷凝器连接到第二个冷凝器。冷凝器为圆柱形，由低碳钢制成。气态气体通过塑料管从反应器流出，进入第一个冷凝器，然后通过铜管流动，再通过铝管流出，最后未冷凝的气体和液体从底部排出。液体收集在烧瓶中，气体则直接排放。第一个冷凝器采用水冷，冷凝器壳体内充满水以维持持续的水流；第二个冷凝器使用压缩机驱动的制冷系统，R-134a（CH2FCF3 气体）作为冷却剂。在第二冷凝器中，R-134a（CH2FCF3）制冷剂在铜管中流动，压缩机和第二个冷凝器之间保持连续的制冷剂流动，而来自第一个冷凝器的气体通过铝管流动。
选择高强度钢作为反应器建造材料是因为其成本低于不锈钢，同时具有足够的结构强度，适用于实验室规模和小规模分散式应用。标准的陶瓷加热线圈因其热稳定性、抗氧化性和抗热震性而被使用[55,56]。
反应器的设计操作温度为 1000°C，在此温度下可实现稳定、可重复且安全的热化学操作。另一方面，研究中实验验证的操作温度范围是450-700°C，选择这个温度范围是因为文献表明，在这些条件下，慢速热解产生的生物炭在产量、表面活性、芳香性、稳定性、孔结构和农艺安全性方面达到了最佳平衡，适用于土壤改良和碳封存应用[57,58,59,60]。2.3. 原料的热解过程及产物回收将晒干的禽粪、骨头、木屑和稻壳称重（每批大约2000-3000克），紧密打包后放入热解消化室中，然后放入反应器进行加热。反应器在450°C至700°C的不同固定温度下运行。温度在两小时内从0°C升至目标值，然后在该温度下保持一小时（停留时间）以进行不同批次的热解，加热速率为3.75-5.83°C/分钟，等温生物炭产率为6.67-21.5克/分钟，具体取决于操作温度和原料。当反应器温度超过约250°C时，热解蒸汽（挥发性产物）开始通过盖子的出口逸出，并通过炉子的通风口进入冷凝器。在目标温度下，挥发性物质持续从消化室逸出并在冷凝器中凝结成液体副产物，从第二个冷凝器底部收集。通过密封炉盖实现消化室内的限氧环境，同时使用玻璃棉作为炉内的隔热材料。热解蒸汽的持续排放进一步阻止了空气通过盖子的出口扩散。最初设计中只有一个冷凝器，后来增加了第二个冷凝器以减少损失。记录了从反应器开始到可见蒸汽释放结束的反应（热解）时间，约为140分钟。热解完成后，将消化室从炉中取出并冷却至室温，同时用金属塞封闭出口。消化室中的黑色生物炭固体和第二个冷凝器底部的浓缩液体被收集并在室温下储存，以便进行进一步的结构和物理化学表征。产物的重量根据[61]计算：产量（%）=（产物质量/初始干原料质量）×100；损失（%）=100−（生物炭%+生物油%）。剩余部分报告为损失（%），可能包括未回收的可凝结和不可凝结气体以及其他系统损失。这被作为质量平衡闭合参数报告。当前的反应器配置没有包含气体捕获或气体分析装置，因此这部分不应直接解释为合成气产量或气体产物组成的直接测量结果，这是未来改进的主要设计局限。2.4. 生物炭的表征进行了一些实验分析，以评估仅在450°C和600°C下使用禽粪生产的生物炭样本的结构、物理和化学性质，如FTIR、XRD、SEM和ICP-MS。2.4.1. 傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析在DAKA的BAEC实验室，通过透射模式记录了FTIR光谱，以识别生物炭样本中的官能团。光谱覆盖的波数范围是4000 cm-1到400 cm-1，光谱分辨率为4 cm-1。分析使用了PERKINELMER L1600300 Spectrum TWO LiTa FT-IR光谱仪。2.4.2. X射线衍射（XRD）分析在DAKA的BCSIR实验室，使用Rigaku SmartLab衍射仪对生物炭样本的晶体结构进行了X射线衍射分析。样品在10-80°的衍射角（2θ）范围内扫描，扫描速率为1°/分钟。2.4.3. 扫描电子显微镜（SEM）观察在DAKA的BCSIR实验室，使用Zeiss Evo 18电子显微镜观察生物炭样本的表面形态和微观结构。在二次电子（SE）模式下，加速电压为30 kV时分辨率为3 nm；在高真空（HV）模式下，加速电压为3 kV时分辨率为<10 nm。样品的放大倍数范围为2000x至100,000x。2.4.4. 电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）分析在BAU的中央实验室使用ICP-MS机器确定了生物炭样本中的重金属浓度。分析前，生物炭样本通过适当的酸消化程序进行预处理，然后对消化液进行分析，以量化元素浓度（单位为ppm）。2.5. 凝缩液体副产物的表征在450°C和600°C下从禽粪产生的浓缩液体作为副产物从第二个冷凝器底部收集，并通过标准物理化学分析进行表征。测量的性质包括颜色、密度、运动粘度、比重、碳残留量和总热值，以评估液体的质量和燃料潜力。颜色使用ASTM颜色标度确定，范围从0（无色）到8（深色或接近黑色，表明存在重有机化合物）。密度和比重根据ASTM D1298方法测量。运动粘度根据ASTM D445方法测量。碳残留量使用ASTM D189方法测量，以量化去除挥发性成分后的碳质物质含量。最后，使用弹式量热计测定了副产物的总热值（也称为高位热值）。所有这些分析均在DAKA的BCSIR实验室进行。2.6. 生物炭处理对植物生长和产量参数的影响使用高产硼稻品种BRRI Dhan-88和BRRI Dhan-89来评估不同生物炭处理与正常条件（无生物炭）相比对生长和产量参数的影响。实验采用随机完全区组设计（RCBD），重复三次以减少田间变异性。每个区组包含所有处理，顺序随机。共设置了30个苗床，每个苗床尺寸为2m×2m，重复之间间距为1m，相邻苗床间距为0.50m。应用了五种处理：正常条件（无生物炭处理）、骨生物炭0.75和1.75 kg/苗床（分别在700°C下生产），稻壳生物炭0.75和1.75 kg/苗床（分别在600°C下生产）。在植物开花和收获阶段考虑的生长和产量参数包括：植株高度（cm）、地上生物量（克）、根系生物量（克）、总生物量（克）和秸秆产量（克）。所有重量均为晒干后的重量。使用单向ANOVA评估生物炭处理对这些参数的影响，显著结果（p < 0.05）进一步通过Tukey’s HSD事后检验确定处理均值之间的差异。3. 结果与讨论3.1. 构建的热解反应器的基本经济评估所构建的热解反应器设计为适用于实验室规模研究和小型农村可持续性应用的低成本系统。建造成本（见表2）和每批次的运营能源成本（见表3）证明了其经济可行性。反应器系统的总建造成本约为557.02美元，表明其适用于分散式的生物质增值和废物管理应用。加热盘管可能在热解约15-20批次后需要更换，每批次包含2-3公斤生物质残留物。表2. 全部反应器系统的建造成本。使用的货币汇率（2026年4月1日）为1美元=122.98孟加拉塔卡（BDT）。组件规格金额（BDT/美元）反应器高碳钢25000/203.29加热盘管3个陶瓷盘管*2000 BDT6000/48.79冷凝器-1含铜管的低碳钢15000/121.97冷凝器-2和压缩机含铜和铝管的低碳钢10000/81.32隔热材料玻璃棉2500/20.33杂项劳动力、材料、零件等10000/81.32总计（BDT/美元）68500/557.02表3. 在600°C下每批次的平均运营能源成本。使用的货币汇率（2026年4月1日）为1美元=122.98孟加拉塔卡（BDT）。参数值（每批次）生产能力1005克（平均）生产时间3小时原材料成本-其他成本-消耗能源a5.94千瓦时电力成本b45 BDT (0.37美元)a消耗能源= 1.98千瓦×3小时= 5.94千瓦时b估计成本= 5.94千瓦时×7.55 BDT/千瓦时= 44.847 BDT该反应器运行所需的能源较低。在600°C下通过热解生产生物炭时，温度在两小时内升至600°C，然后在600°C下保持一小时。系统消耗1.98千瓦时的能源，总能耗为每批次5.94千瓦时。每批次的能源成本估计为45 BDT/0.37美元，每批次生产750-1260克（平均1005克）生物炭，具体取决于原料（木屑除外），而孟加拉国市场上1000克生物炭的价格在65-70 BDT（0.53-0.57美元）之间，表明在小型应用中具有经济竞争力。根据孟加拉电力发展委员会（BPDB）的规定，农村农业/家禽农场的电价为5.25 BDT/千瓦时，大学/教育/研究机构的电价为7.55 BDT/千瓦时。本文用于成本计算的电价为7.55 BDT（0.061美元），这意味着在当地农村家庭或农场中运营能源成本可能更低。此前开发的试验规模反应器的成本最低为0.394美元/公斤生产[62]，0.581美元/公斤生产[63]，或0.7美元/公斤生产[64]，而一些范围在0.528-1.051美元/公斤生产[65]，0.611-1.061美元/公斤生产[66]，或0.448-1.846美元/公斤生产[67]，与本反应器的0.37美元/公斤运营能耗相比。需要注意的是，由于本研究的主要目标是学术研究和农村可持续性，而不是工业规模生产或收入生成，因此没有进行更深入的技术经济分析，如运营成本（OPEX）、资本支出（CAPEX）或盈利能力分析。3.2. 通过热化学转化实现的产量表4中的产品产量表明，生物质残渣在不同温度下被转化为增值的碳材料（生物炭）和含能量的液体副产物。对于禽粪，将温度从450°C提高到600°C降低了生物炭产量，但增加了生物油产量，表明在较高温度下挥发分释放增加，碳重新分布到可凝结蒸汽中[38]。对于木屑和稻壳，随着温度的升高，生物炭产量显著下降，这与挥发分释放增加一致。损失应解释为质量平衡闭合。表4. 生物炭和生物油的生产分析及产量原料温度（°C）用量（克）生物炭（克）生物油（克）生物炭产量（%）生物油产量（%）损失（%）禽粪450°C300012901080433621600°C300012601200424018木屑600°C250068050027.22052.8700°C270040060014.822.2262.98骨头700°C30001240-41.3--稻壳450°C2000800-40--600°C2000750-37.5--表4中每种热解条件下的产品产量来自三次独立的实验运行，报告的值表示这三次试验的平均值。相比之下，FTIR、XRD、SEM和ICP-MS以及对副产物的分析是在代表性样品上进行的，并作为单次试验的结果呈现。先前的研究表明，在450°C和600°C下，稻壳生物炭的产量分别为约45.68%和37.9%[68]，而本研究的产量分别为40%和37.5%。对于各种木屑，先前的研究在600°C和700°C下的生物炭产量分别为约30.9-33.8%和29.5-32.1%[69]，而本研究的产量分别为27.2%和14.8%。对于鸡骨，在700°C下的产量约为55%[70]，而本研究的产量较低，为41.3%。对于禽粪，各种研究在450°C和600°C下的生物炭产量分别为约40.6-48%和39.8-43.2%[71,72,73]，而本研究的产量分别为43%和42%。除了在700°C下从木屑生产的生物炭外，本反应器产生的所有产量值与其他研究相似。3.3. 生物炭的温度依赖性结构演变3.3.1. 生物炭的FTIR测试在450°C和600°C下从禽粪生产的生物炭的FTIR光谱以透射模式记录，并分别显示在图2(a)和图2(b)中，FTIR分析的峰值在表5中提及。在生物炭表面，识别出多种有机官能团，包括羟基和羰基。在3443 cm-1和3445 cm-1处观察到的尖锐而宽的峰分别对应于450°C和600°C下的羟基（醇类和酚类）的O-H伸缩振动[74,75]。在2924 cm-1和2926 cm-1处（450°C和600°C）以及2855 cm-1处的峰分别表明生物炭中存在脂肪族C-H伸缩振动[-CHn] [76,77,78]。在1633 cm-1和1620 cm-1处观察到的峰分别对应于C=C键，而文献指出在450°C和600°C下可能是芳香族C=C伸缩[79]或C=O官能团[80]。在1385 cm-1处观察到的峰是羧酸官能团的C=O伸缩，而文献推测这可能是变形的-CH3[81]、C-O伸缩[82]或羧酸和酚类官能团的O-H弯曲[83]振动。在1104 cm-1和1036 cm-1附近观察到的峰值分别与生物炭表面含氧官能团的C-O伸缩振动有关，这些官能团在450°C和600°C时的情况有所不同[84]。在450°C和600°C下制备的生物炭，其873-790 cm-1和875-777 cm-1之间的透射峰与样品表面存在的芳香族C-H键合化合物相关[85]。两种温度下的特定光谱峰值（cm-1）见表5。
下载：下载高分辨率图片（295KB）
下载：下载全尺寸图片
图2. 450°C（a）和600°C（b）下透射模式下的FTIR峰位。
表5. FTIR峰分析的比较数据
SLTemp.
单位 FTIR光谱学结果
01. 450°C
cm-1 344 3, 292 4, 285 5, 163 3, 138 5, 110 4, 873, 790, 618
02. 600°C
cm-1 344 5, 292 6, 285 5, 162 0, 138 5, 1036, 875, 777, 588, 585, 478
3.2. 生物炭的XRD测试
在图3(a)中，450°C下制备的生物炭的XRD图谱显示在2θ ≈27-30°附近有一个宽广的衍射峰，表明主要成分是非晶碳和二氧化硅[86]。在2θ ≈40°附近也观察到一个峰，这可能与无序的碳结构有关。随着热解温度升高到600°C，图3(b)显示出在2θ ≈27°附近出现更尖锐的峰，对应于石墨碳的(002)面，表明碳结构变得更加有序[80]。此外，在2θ ≈40°附近还有一个更强且更尖锐的峰，归因于层状碳的(100)面[87]，同时还有弱的SiO₂反射。600°C时峰值的增强锐度表明碳化程度增加且样品具有结晶性质[75]。总体而言，提高热解温度可以去除非碳元素（O、H、N、S），从而改善生物炭的结构。两种温度下生物炭的特性总结在表6中。
下载：下载高分辨率图片（221KB）
下载：下载全尺寸图片
图3. 450°C（a）和600°C（b）下生物炭的XRD峰位
表6. 两种温度下生物炭样品的汇总特性
特征 450°C生物炭 600°C生物炭
碳结构 高度无序 更加有序
二氧化硅 大部分非晶 部分结晶
峰宽 宽 较窄
石墨化 非常低 中等
3.3. 生物炭的SEM分析
图4中的SEM分析显示，450°C下生物炭的粒径范围为29.0-47.1 nm（图4b），孔径范围为1.31-2.06 µm（图4a）；而在600°C下，粒径范围为30.7-65.0 nm（图4d），孔径范围为2.01-5.45 µm（图4c）。因此，SEM图像定性表明600°C下制备的生物炭具有更粗糙的表面和更大的可见孔隙，表明在更高的热解温度下孔隙发育程度更大[88]。
下载：下载高分辨率图片（791KB）
下载：下载全尺寸图片
图4. 生物炭样品的SEM图像。(a) 450°C下的孔径，(b) 450°C下的粒径，(c) 600°C下的孔径，(d) 600°C下的粒径
根据国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）的分类，孔隙被定义为微孔（直径< 2nm）、介孔（2nm < 直径 < 50 nm）和宏观孔（直径 > 50 nm）[89]。根据这一分类，观察到的孔隙属于宏观孔范围。这些形态差异与生物质热解过程中挥发性有机物的释放增加一致[90]。然而，本研究中没有进行BET或其他基于吸附的表面积分析，仅凭SEM观察不能直接证明比表面积的增加[91,92]。因此，这里仅从定性的表面形态和孔结构角度讨论SEM结果，而不做定量声明。
由于关于将壳聚糖固定到生物炭上的研究较少[93]，不同的生物炭可能由于原材料或生产条件的不同而具有不同的化学或物理性质，从而影响酶的固定[76]。因此，我们的发现可能会影响生物炭在酶固定中的应用。
3.3.4. 生物炭的ICP-MS测试
使用ICP-MS分析了重金属如Fe、Mn、Zn、Cu、Cr、Ni、Pb、Co、Se和Cd的浓度，结果见表7。随着热解温度从450°C升高到600°C，大多数重金属元素的浓度有所下降，尽管Ni和Cd的浓度略有增加。总体而言，这些测量出的重金属 concentration 随着热解温度的升高而降低，这与Kujawska等人2024年的研究结果相反，这可能是由于元素重新分布、某些组分的挥发以及热解过程中的质量损失[94,95]。两种温度下这些元素的浓度均远低于国际生物炭倡议（IBI）2015年报告的最大允许限值，意味着每种生物炭都满足总重金属含量的阈值。
表7. 通过ICP-MS机器消化测得的重金属测试报告
元素名称 符号 (Z) 450°C (ppm) 600°C (ppm) IBI允许的最大范围 (ppm, 干重)
铬 Cr (24) 29.75 20.95 93-1200
锰 Mn (25) 223.25 168.75 -
铁 Fe (26) 262 5103 2.5 -
钴 Co (27) 0.91 75 0.725 34-100
镍 Ni (28) 10.9 21.5 47-420
铜 Cu (29) 31 20.4 143-600
锌 Zn (30) 168.5 91.25 416-740
硒 Se (34) 0.57 50.44 252-200
镉 Cd (48) 0.14 45 0.15 551.4-39
铅 Pb (82) 2.92 50.96 121-300
然而，本研究仅测量并比较了这些元素的总浓度，无法直接说明其存在形式、可浸出性、迁移性或生物可利用性，需要进一步研究[96]。因此，关于在更高热解温度下化学稳定性的提高、有毒金属的更强固定效果或环境和生态风险的降低等结论尚无定论，这是Wang等人2019年的研究发现[97]。需要进一步的浸出和存在形式分析来直接评估这些可能性。
3.4. 缩合副产品（生物油）的物理化学性质：
表8列出了在450°C和600°C下使用适当方法获得的浓缩液体副产品的物理化学性质。450°C下产生的液体表现出更高的密度、粘度、比重和碳残余量，而600°C下产生的液体则不然。
表8. 液体副产品的物理化学性质
方法/仪器 450°C 600°C
颜色 颜色计 > 8.0, 黑色 ASTM scale > 8.0, 黑色
密度 (gm/cm³) ASTM D1298 1.030 ASTM D445 1.024
粘度 (cSt) 40°C ASTM D1298 0.960 ASTM D445 0.940
碳残余量, % (w/w) ASTM D189 1.043 ASTM D189 1.043
gross Calorific Value (MJ/Kg) 炸弹 calorimeter未能确定（由于水分含量高，约为80%）
两种样品均呈深色（ASTM scale > 8.0），表明可能存在多种复杂的有机化合物，包括糖类、酯类、醚类、羧酸、醇类、醛类、酮类和酚类[98,99,100]。运动粘度值在450°C和600°C时分别为0.96和0.94 cSt，表明回收的液体组分主要是水相成分，而不是生物油，因为某些文献中报道的来自禽粪的生物油粘度可高达130-9050 cSt[101,102]。这一观察结果还得到了密度（450°C和600°C分别为1.0307和1.0240 gm/cm³）和比重（450°C和600°C分别为1.0321和1.0254）的支持，这些数值接近水的密度。文献表明，来自禽粪的富有机物的生物油的密度约为1.14-1.18 gm/cm³[101,102]，比重约为1.18[102]。副产品的碳残余量（w/w%）在450°C时为1.043，而在600°C时显著降低至0.51，改善了副产品的燃料性能，因为低碳残余量的燃料更符合可持续性要求[103]。碳残余量较高表明燃料质量较差，其含量范围为0.28-0.57[104]。由于水分含量很高（约为80%），两种样品的gross calorific value都无法确定。而来自禽粪的生物油的calorific value可从23.3 MJ/Kg达到40.32 MJ/Kg[101,102,105]。随着热解温度的升高，粘度、密度、比重和碳残余量的降低表明热解作用增强，形成了更轻、更易挥发的化合物[106,107,108,109]。结果表明，所得到的液体产品主要由含水量高的缩合物组成，燃料潜力有限，这突出了优化工艺或改进技术以提高生物油质量的必要性。
3.5. 产品演变的热依赖性机制
本研究中产品变化的热依赖性，包括产率、表面化学性质、孔隙率和缩合液体组成，由五种机制共同决定：颗粒内部热传递、初级挥发物释放、二次气相裂解、碳化和结构重排[110,111]。每种机制对热解温度的反应不同，并共同控制生物质的热化学转化[110,112]。由于本研究中未收集不可冷凝气体，因此温度依赖性的变化被解释为产品分配的整体变化，而不是气体产量的增加。在颗粒尺度上，颗粒内部的热传递控制了反应前沿渗透生物质内部的速率。来自电圈的传导加热产生了内部温度梯度，扩大了挥发生物质的停留时间分布，使局部动力学偏离了等温预测[110,111]。CFD建模显示，随着设定温度的升高，这些梯度变得更加陡峭，加速了挥发物的释放，减少了焦油再沉积的时间[110]。在管式热化学系统的反应器尺度上也观察到了类似的行为，其中径向温度梯度取决于加热方式，并影响热化学转化的均匀性[111]。这些机制共同解释了从450°C到600°C所有四种原料的生物炭产率系统性下降（表4），其中禽粪产生的缩合组分较多，而木片产生的未回收组分较多。
初级挥发物释放通过纤维素、半纤维素、木质素的脱水、脱羧、脱羰基和降解以及与之相关的蛋白质、脂质和矿物质组分发生[112]。纤维素和半纤维素在200-400°C范围内降解，释放出左旋葡萄糖苷、无水糖、呋喃和轻质氧化物，而木质素在200-600°C范围内贡献酚类单体[112]。FTIR光谱中O-H伸缩、脂肪族C-H、C=C基团、C-O基团和芳香族C-H伸缩带的逐渐减弱（图2和表5）是这一逐步去除官能团的过程标志。当初级挥发物穿过反应器内的热区时，它们会发生二次气相裂解。大分子氧合物转化为CO、CO₂、H₂、CH₄、水和轻质烃，而反应性中间体部分重新聚合成二次炭和芳香焦油[110,112]。随着温度和蒸气停留时间的增加，裂解加剧，因此在更高温度下冷凝器捕获了更轻、含水量更高的组分，这体现在600°C时密度、粘度和比重的降低（表8），以及3.4节中提到的主要水相副产品。
碳化和结构重排同时进行。固定碳的富集伴随着芳香环的缩合、多环芳香烃的增长和sp³到sp²芳香碳的转化。600°C时2θ ≈ 27°和2θ ≈ 40°附近的(002)和(100)反射增强（图3），证实了非晶基质向层状碳的转变[112,113]。相同的挥发物释放重塑了颗粒形态。600°C时SEM观察到的孔隙和颗粒扩大（图4）是由于蒸气组分拓宽了通道并形成了新的宏观孔隙[113]。600°C时重金属浓度的轻微降低（表7）表明部分挥发物转化为稳定的矿物形式，因为基质发生了烧结。
3.6. 生物炭处理对植物生长和产量参数的影响
表9展示了单因素方差分析（one-way ANOVA）的结果，用于评估生物炭处理对植物生长和产量参数的影响。仅BRRI Dhan-88在哺乳期的株高和总生物量显示出显著效果（p < 0.05）。这两个参数进一步使用Tukey’s HSD事后检验进行分析，以确定处理平均值之间的成对差异，结果如图5(b)和5(f)所示。图5(a-i)展示了不同生物炭处理对两种水稻品种的数值响应，而图5(b)和5(f)包括Tukey字母，表示成对影响。
表9. 单因素方差分析显示生物炭处理对BRRI Dhan-88和BRRI Dhan-89在哺乳期的生长和产量参数的影响（95%置信水平）
品种 生长阶段 参数 df Fp
BRRI Dhan-88 哺乳期 植株高度 (4, 10) 5.84 2
果苗生物量 (4, 10) 7.35 5.005*
根生物量 (4, 10) 6.60 0.71
总生物量 (4, 10) 7.24 4.005*
收获期 果苗生物量 (4, 10) 3.90 0.81
根生物量 (4, 10) 5.54 0.701
总生物量 (4, 10) 3.83 6.70
收获期 果粒产量 (4, 10) 1.63 4.241
根生物量 (4, 10) 0.99 0.38
总生物量 (4, 10) 1.63 4.241
收获期 果粒产量 (4, 10) 1.49 3.276
收获期 秸秆产量 (4, 10) 0.81 8.987
总体而言，生物炭在哺乳期的效果比收获期更明显，且这种效果受品种影响，BRRI dhan-88的生理响应性更强。图5(b)和5(f)显示，在哺乳期的BRRI dhan-88中，果苗生物量和总生物量都显示出显著效果。单因素方差分析（ANOVA）结果具有显著性（p = 0.005），而Tukey检验表明，水稻壳生物炭1.75的处理效果最为显著，其次是骨生物炭0.75。此外，与水稻壳生物炭0.75相比，水稻壳生物炭1.75的处理效果也更为显著，这表明水稻壳生物炭的作用存在剂量依赖性。这表明，在BRRI dhan-88品种中，生物炭的刺激作用并不是线性的，其效果取决于生物炭的来源和施用速率。相比之下，BRRI dhan-89品种在这些参数上没有显示出显著的处理效果。
先前的研究关于生物炭应用的结果各不相同。一些研究表明，单独使用生物炭并不能促进水稻的生长和产量[114]。相反，其他研究则报告称，即使不施用化肥，生物炭也能提高植株高度、秸秆产量、谷物产量、地上生物量、根系生物量和总生物量[115,116]。另外，还有研究观察到，生物炭与氮肥结合使用可以进一步增加植株高度和谷物产量[117]。许多研究还指出，生物炭的效果在长期内更为明显，所有六个生长和产量指标都会随着时间的推移而得到改善，无论是单独使用生物炭还是与化肥结合使用[118,119,121]。因此，本研究中观察到的非显著ANOVA和Tukey检验结果可能是由于样本量小、实验时间短、生物炭施用率较低以及环境变异性等因素造成的，这些因素可能限制了处理效果的检测。
短期单季施用生物炭并不能在大多数生长和产量指标上产生统计学上的显著效果，这说明需要进行多季节的生物炭试验以获得更全面的结果。这些结果为长期农学评估提供了基线数据。
3.7. 本研究方法与近期类似文献的比较
表10将本研究的主要方法和结果与其他近期类似的低成本、实验室规模、试点规模、移动式、太阳能驱动以及本地制造的热解反应器设计研究进行了对比。最接近的直接对比对象是[43]研究中的反应器，其进料负荷（每批1公斤）和温度范围与本研究相同，但未提供量化的基本经济指标或对所得生物炭的全面结构表征。试点规模和窑炉规模的研究[49,122]实现了更高的绝对产量（每批11-200公斤，最高可达5吨），但资本投入显著更高。例如，[62]研究中的反应器总资本投资为18,458美元，主要面向生物吸附剂或商业用炭的开发。太阳能[48]和地窑替代[123,124]设计则针对不同的应用场景。在整个研究集合中，本研究中的反应器在电加热实验室规模反应器中具有最低的建造成本（建造成本557美元；每公斤生物炭的运行能耗0.37美元），并且通过结合多种原料（鸡粪、骨头、稻壳、木片）、液体副产品的回收以及在同一研究中进行全面的FTIR/XRD/SEM/ICP-MS结构表征而脱颖而出，这些组合在其他对比研究中均未出现。
表10. 本研究的主要方法与其他类似的低成本、实验室规模、试点规模或本地制造的熱解反应器设计研究的比较
| 研究 | 主要方法 | 原料 | 规模和温度 | 关键结果（产量） | 经济指标 | 特征化范围 | 强项 | 限制 |
|-----------------|--------------------|------------------------------|------------------------|-----------------|-----------------------------|--------------------------------------|--------------------------------------------|
| 本研究 | 电加热、实验室规模、低成本、慢速热解批次反应器；通过450-700°C下的生物炭产量和600°C下的温度依赖性结构变化评估反应器性能；基本经济评价 | 鸡粪、骨头、稻壳和木片；每批2-3公斤原料 | 实验室规模批次反应器；验证窗口：450-700°C；操作设计温度：1000°C | 生物炭产量：14.8-43 wt.%（取决于原料和温度）；平均每批生物炭产量：600°C时为1.005公斤；冷凝液主要为水溶液 | 建造成本：557.02美元；运行能耗：每公斤生物炭0.37美元 | FTIR、XRD、SEM、ICP-MS；冷凝液物理化学分析；小规模农学实验 |
| | | | | | | | |
| | | | | | | | |
| [124] | 双室批次热解器，采用同心圆筒和合成气循环；通过温度曲线、能量平衡、合成气生产和生物炭的物理化学特性评估反应器性能 | 每批约11公斤稻壳；每批28公斤木材作为燃料 | 标试点规模双室窑炉；操作温度范围：380-1000°C | 生物炭产量：42.37-49.28%；生产速率：1.8 ± 0.2公斤/小时；合成气高位热值：23.3 ± 2.3 MJ/m³；比表面积：182 m²/g | 未报告经济评估 | |
| | | | | | | | |
| | | | | | | | |
| [45] | 单原料设计（仅稻壳）；未提取液体副产品；未进行经济评估；由于缺乏隔热层导致热量损失较高 | 便携式、低成本、实验室规模批次热解反应器；适用于大学教学和研究 | 仅稻壳；在450、500和550°C下测试；反应器最大设计温度：1000°C；加热器功率：2.4千瓦 | 产量：生物炭43.93-49.26%，油21.14-29.22%，合成气25.63-32.01%（取决于原料） | 未报告建造成本或生产成本；声称“资本成本比进口反应器低40-60%” |
| | | | | | | | |
| | 自持续、试点规模池式碳化反应器；用于垃圾渗滤液处理的生物吸附剂生产；全面的技术经济评估 | 木屑；每批3-5吨原料 | 标试点规模池式反应器；操作温度范围：300-700°C；加热速率：5-7°C/分钟；年产量：48吨 | 生物炭产量：每批1吨（20 wt.%）；热解后比表面积从0.91 m²/g增加到232.1 m²/g；平均孔径从324.1 nm减小到15.4 nm | 建造成本12,678.78美元；总资本投资（TCI）：18,458美元；生产成本：每吨394美元（每公斤0.394美元）；净现值（NPV）：36,905美元；内部收益率（IRR）：94.6%；年产量：48吨 |
| | | | | | | | |
| | 自持续、试点规模池式碳化反应器；用于垃圾渗滤液处理的生物吸附剂生产；全面的技术经济评估 | 木材碎片；每批7天3-5吨原料 | | | | |
| | 自持续运行；分散式部署 | 较本研究更高的资本投资；主要面向生物吸附剂应用而非农学用途 | | | |
| | 固定床上升气流反应器，带冷凝器和分离器；基于RSM的停留时间优化，在恒定平均温度下 | 每批22公斤桉树原料；平均热解温度：415°C；测试的停留时间：150-220分钟 | 最优生物炭产量：188.88分钟时为32.39%；选择性最高时为161.69%；与传统地窑方法相比效率提高24.17%；生产时间减少150分钟；二氧化碳和颗粒物排放分别减少60.2%和51.8%；生物炭高位热值提高3 MJ/kg | 未报告经济评估 | |
| | | | | | | | |
| | 本地制造、低成本、垂直试点式回转窑；作为顶部照明上升气流（IHT）或双室（EHT）模式运行 | 通过生物炭产量和物理化学性质评估窑炉性能 | 稻壳和玉米芯 | | | |
| | 上升气流模式下生物炭产量更高（37.23%）；IHT模式下热解时间更短；IHT模式下生物炭中的有机碳、磷和矿物质含量更高；生物炭符合基本EBC和IBI标准 | | | |
| | | | | | | | |
| | 定量经济评估缺失；光谱或结构表征范围较本研究狭窄；仅使用两种原料 | | | |
| | 自持续、试点规模池式碳化反应器；用于垃圾渗滤液处理的生物吸附剂生产 | | | | |
| | 理论设计与评估小型太阳能驱动热解反应器（SPEAR）；采用Cassegrain光学抛物面碟式反射器和手动跟踪系统；在三种碳信用情景下进行财务评估 | 模拟农业和林业废弃物；稻壳、甘蔗渣、玉米秸秆、桉树残渣；每天每单位5公斤生物炭 | 分散式农村社区规模；200升反应器；可实现温度高达750K（约477°C）；反应器规格：7.5千瓦 | 模拟的生物炭产量：根据原料不同介于20-34 wt.% | 光学效率在1.5°跟踪误差下最高可达72%；热效率在整个操作范围内超过70%；电力容量：最高可达240瓦（串联5个TE单元） |
| | | | | | | | |
| | | | | | | |
| | 理论研究，无实验验证；产品属性和冷凝液处理未测量 | | | | |
| | 理论研究，无实验验证；产品属性和冷凝液处理未测量 | | | | |
| | 本地制造、低成本、垂直试点式回转窑；可作为顶部照明上升气流（IHT）或双室（EHT）模式运行 | | | | |
| | | | | | |
| | 热解温度范围低于本研究；未回收或量化液体和气体副产品；无技术经济评估 | | | |
| | | | | | | |
4. 本研究的局限性
尽管本研究开发的热解反应器在制造成本、运行能耗和生物炭表征方面表现良好，但仍有几个重要的局限性需要在未来改进：
- 生物质原料在热解前仅经过五天的晾晒，而非遵循标准化方法（如ISO 18134-2）。虽然最终水分含量低于30%，但未记录具体数值。原料的水分含量直接影响挥发行为、产物分布和冷凝液组成，因此这一省略引入了质量平衡计算的不确定性，限制了不同原料和温度下产物产量的严格比较。
- 本反应器设计未包括合成气捕获装置，因此不可冷凝气体未能被直接测量和表征。报告的损失百分比应仅被视为未量化的残余部分，而非合成气产量的直接测量结果。因此，该研究仅提供了固体产物（生物炭）和冷凝液產物的直接评估，未能全面表征三种主要的热解产物，这是未来改进的重点。
- SEM分析用于定性评估表面形态和孔隙发育情况，未进行BET或其他直接的表面面积分析来量化比表面积。同样，ICP-MS结果仅表示总元素浓度，无法直接指示物种形态、浸出性、迁移性或生物利用性，从而限制了对金属固定行为或环境和生态风险降低的结论。
- 农学评估仅具有初步性和短期性质，涉及的处理组合有限。结果提供了基础观察数据，而非确定的农学验证。
- 经济评估仅限于制造成本和批量运行能耗。更广泛的技术经济指标（如资本支出（CAPEX）、运营成本（OPEX）和盈利能力）超出了本研究的范围，因为该设计的目的是非工业规模生产和收入生成。
- 未来的研究应包括标准化的原料水分测定、气体收集和成分分析、定量表面面积测量、长期田间验证以及更全面的技术经济评估。该浓缩后的液态副产品主要以水为成分，其短期内对农业生产的实际影响基本可以忽略不计，这凸显了对液态产物进一步处理以及进行长期田间试验验证的必要性。该研究的主要局限性包括未能直接捕获和量化气体成分，同时也缺乏BET（贝特）比表面积的测定、淋溶过程分析以及金属元素形态的研究。未来的研究将包括采用标准化的原料水分测定方法（ISO 18134-2），进行气相成分分析、基于BET吸附法的比表面积测量、淋溶与金属形态研究，并开展多季节的农业应用试验，同时还会考虑更广泛的技术经济指标（如资本支出、运营成本和盈利能力）。
总体而言，所开发的反应器为生物质废弃物的增值利用提供了一种经济可行且可重复的方法，符合联合国的可持续发展目标9、12和13；同时，该方法对于实现可持续发展目标2、7、11和15也同样具有重要的意义。
**资助信息与致谢**
我们感谢孟加拉人民共和国政府教育部的资助（项目编号：SD 20211555）。同时感谢孟加拉农业大学研究系统（BAURES）为该项目提供的技术支持。
**作者贡献声明**
Ishraque Mashiat：数据可视化、软件开发及实验设计
Alif Al Arefin Prodhan：文稿撰写、审稿与编辑、结果验证及数据分析
Md. Mahbub Alam：研究方法设计、实验实施及数据分析
Md. Mukhlesur Rahman：项目监督、资源协调及概念规划
Md. Khairul Hassan Bhuiyan：初稿撰写、项目监管、资源调配、项目管理、研究方法设计、资金筹措、数据分析及概念框架构建
Md. Kamrul Hasan Fakir：资源调配及实验实施
打赏
