研究人员针对农业与林业废弃物持续增加带来的环境与资源浪费问题，采用热化学转化技术中的慢速热解工艺，将非洲半干旱地区广泛存在的非木材林产品——猴面包果壳(BFS)转化为高附加值生物炭。研究选用响应面法(RSM)结合中心复合设计(CCD)，考察热解温度(450–650 ℃)、停留时间(1–3 h)及升温速率(10–20 ℃·min−1)对生物炭产率的综合影响。实验共完成20组运行，产率范围为17.8%–39.1%。方差分析(ANOVA)表明建立的二次模型具有显著统计学意义(p < 0.0001)，决定系数(R²)达0.9733，预测值与实测值高度吻合。结果表明，随着温度和停留时间的升高，生物炭产率呈下降趋势，这与木质纤维素组分的热分解行为一致。通过Design-Expert软件优化得到最佳工艺条件为温度567.89 ℃、停留时间1.95 h、升温速率19.90 ℃·min−1，预测产率为31.7%；验证实验实际产率为33.67%，证实模型的可靠性。傅里叶变换红外光谱(FTIR)和扫描电子显微镜-能谱分析(SEM-EDS)表征显示，热解后生物炭中氧功能基团减少，芳香碳结构增强，表面形成多孔形态，碳含量显著提升，验证了有效碳化。
研究背景与意义
农业与林业废弃物的积累已成为全球关注的环境问题，尤其在非洲等地区，大量生物质未被充分利用，导致资源浪费与环境污染。猴面包树(Adansonia digitata L.)是当地重要的经济与生态树种，其果实加工过程中产生大量果壳(BFS)，目前缺乏高效资源化途径。生物炭作为一种高芳香化、耐分解的多孔碳质材料，在土壤改良、废水处理及清洁能源等领域具有广泛应用前景。因此，研究人员旨在通过热解技术实现BFS的高值化利用，并结合响应面法(RSM)优化工艺参数，以提升生物炭产率与品质，为区域循环生物经济发展提供技术支撑。该研究成果发表于《South African Journal of Chemical Engineering》。
主要技术方法
研究采集尼日利亚Adamawa州Song地区的BFS为原料，经清洗、晒干、粉碎至1–3 mm粒径后备用。采用中心复合设计(CCD)安排20组热解实验，变量包括温度、停留时间与升温速率。生物炭产率通过称重法计算，并利用Design-Expert软件建立二次回归模型。原料及生物炭的基本性质分别通过工业分析、元素分析及木质纤维素组分测定进行表征；结构特征采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜-能谱分析(SEM-EDS)及比表面积分析(BET)进行评估。
研究结果
3.1 工业分析、元素分析及结构组成
BFS具有低水分(6.53%)、低灰分(5.76%)、高挥发分(73.10%)及适宜固定碳(14.61%)的特点，适合热解加工。元素分析显示其碳含量较高(48.68%)，硫氮含量低，环境友好。热解后生物炭的碳含量提升至78.67%，H/C与O/C原子比显著降低，表明芳香化程度提高。结构分析发现BFS富含木质素(55.66%)，有利于生物炭形成多孔高碳结构。
3.2 原始生物炭(PBC)产率
最高产率为39.1%，出现在低温(450 ℃)、短时间(1 h)和低升温速率(10 ℃·min−1 )条件下；最低产率为17.8%，出现在高温(550 ℃)、长时间(3 h)和中升温速率(15 ℃·min−1 )条件下。总体趋势显示，温度升高与时间延长均会降低产率。
3.3 生物炭产率的统计建模
方差分析(ANOVA)证实二次模型显著(F = 40.49, p < 0.0001)，R² = 0.9733，调整R² = 0.9493，预测R² = 0.8402，表明模型拟合度高且预测可靠。各因素对产率的影响程度依次为停留时间 > 温度 > 升温速率，且二次项效应显著，交互作用不显著。
3.4 工艺变量对生物炭产率的影响
三维响应面图显示，温度与停留时间同时增加时，产率显著下降；温度的影响最为明显。升温速率的影响相对较小，但低升温速率配合短停留时间可获得较高产率。
3.5 生物炭生产工艺优化
数值优化结果显示，最佳条件为温度567.89 ℃、停留时间1.95 h、升温速率19.90 ℃·min−1 ，预测产率31.7%。验证实验平均产率为33.67%，与预测值接近，证明模型适用性。
3.6 生物炭表征
FTIR光谱显示热解后羟基、羧基等含氧官能团减少，芳香碳结构增强。SEM图像表明生物炭表面形成多孔结构，EDS分析显示碳含量上升，无机矿物元素保持稳定。BET分析显示生物炭比表面积达385.35 m2 /g，孔径2.07 nm，属介孔材料，适合用于污染物吸附。
讨论与结论
研究证实BFS是一种优良的生物质原料，其高木质素含量有利于形成高碳、多孔的生物炭。优化后的热解工艺在兼顾产率与品质方面具有实际应用价值。该方法不仅可缓解农业废弃物处置压力，还为开发高性能生物炭材料提供了可行途径。论文结论指出，在最佳条件下制得的生物炭具有高芳香性、低极性及良好的孔隙结构，可用于环境治理与能源领域，推动可持续资源循环利用。
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