《Carbon Resources Conversion》：Insights into the co-utilization of cassava industry waste and invasive woody biomass for charcoal briquettes production
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为应对清洁能源需求及农林废弃物处理压力，本研究探索利用木薯根茎（CRC）与银合欢木材（LWC）两种生物质资源，结合木薯副产物（木薯淀粉TS、木薯皮CP、木薯块茎CT）作为粘合剂，制备生物质炭燃料棒。研究人员评估了不同配比（CRC:LWC 为 75:25 与 50:50）与粘合剂组合对燃料棒物理机械性能（如真密度TD、抗碎性SR）、燃烧性能（如高热值HHV、燃速BR、烧水效率WBE）及经济性的影响。结果表明，增加LWC比例能显著提升TD、HHV（最高达967.55 kg m-3和 23.13 MJ kg-1）和机械耐久性；而CRC比例较高的B1配比则表现出较低的燃料消耗率SFC（114.05 g L-1）和较高的WBE（21.89%）。经济分析显示，使用CP和CT作为粘合剂的方案能降低成本。该研究证实了将这两种未充分利用或具入侵性的生物质用于小规模燃料棒生产的可行性，为废弃物增值、森林保护和农村能源安全提供了新思路。
在全球追求可持续能源的紧迫需求下，传统木质木炭的大量使用引发了森林砍伐、空气污染及生物多样性丧失等一系列环境问题。与此同时，农业和木材加工业产生了海量的生物质废弃物，例如木薯加工后留下的根茎、薯皮等，它们往往被焚烧或丢弃，既污染环境又浪费资源。另一方面，一些快速生长的入侵植物，如银合欢（Leucaena leucocephala），虽然因破坏本地生态而被视为“生态恶霸”，但其丰富的木质生物质却蕴含着成为优质生物燃料原料的潜力。能否将这些“麻烦”变成“宝藏”，实现“变废为宝”与“以害治害”的双赢呢？这正是泰国孔敬大学（Khon Kaen University）的研究团队在《Carbon Resources Conversion》期刊上发表的最新研究试图解答的问题。他们创新性地将木薯产业的废弃物（木薯根茎，Cassava Rhizome， CRC）与入侵性木材（银合欢木材， Leucaena leucocephalaWood， LWC）结合起来，并利用木薯加工副产物作为天然粘合剂，开发出一系列新型生物质炭燃料棒（Charcoal Briquettes），系统评估了其作为清洁固体燃料的性能与经济前景。
为开展这项研究，作者主要应用了以下几种关键技术方法：首先，原材料通过控制碳化过程转化为生物质炭（CRC和LWC）。其次，研究采用了两因素随机完全区组设计（RCBD），考察了两种炭粉混合比例（CRC:LWC 为 75:25 的B1混合料和 50:50 的B2混合料）与三种木薯基粘合剂（木薯淀粉TS、木薯皮CP、木薯块茎CT）共六种处理组合。再次，使用螺杆挤出机进行燃料棒的成型制备。最后，对成品燃料棒进行了一系列标准化表征，包括物理机械性能（如真密度TD、抗水性WR、抗碎性SR）、燃烧相关性能（如高热值HHV、燃烧速率BR、特定燃料消耗SFC、烧水效率WBE）以及经济可行性分析。原材料来源于泰国孔敬当地的木薯种植户和校园内的入侵银合欢树木。
研究结果通过多个维度揭示了不同配比燃料棒的优劣：
3.1. 燃料棒制备过程分析
对原材料炭粉的扫描电镜（SEM）观察显示，LWC具有更致密、孔道均匀的木质结构，而CRC则呈现多孔、壁薄且不规则的结构。在能耗方面，粉碎CRC所需的单位能耗（3.21 Wh kg-1）几乎是LWC（1.76 Wh kg-1）的两倍，这主要归因于CRC较低的堆积密度。在燃料棒成型（挤出）阶段，B2-CP配方的单位能耗最高（30.09 Wh kg-1），而B1-CT配方的能耗最低（9.83 Wh kg-1），表明材料组成显著影响加工阻力。
3.2. 燃料棒性能评估
3.2.1. 物理性质
所有燃料棒的含水量（3.88%–5.24%）均符合相关标准（<8%）。真密度（TD）方面，B2混合料（特别是B2-CP和B2-CT）显著高于B1混合料，最高达967.55 kg m-3，这得益于LWC更致密的结构改善了颗粒填充。抗水性（WR）则受到炭混合比例与粘合剂类型的交互影响，B2混合料（特别是B2-TS和B2-CT）的抗水性显著优于B1混合料。
3.2.2. 机械性能
抗碎性（SR）范围在80.63%到99.71%之间。B1-CP配方的抗碎性最低，可能与木薯皮粘合剂的粘结力较弱有关。而B2混合料，尤其是使用TS粘合剂的配方，抗碎性均高于98%，显示出更好的机械耐久性。
3.2.3. 燃烧相关性能
高热值（HHV）：B2混合料的HHV显著高于B1混合料，其中B2-CP配方达到了最高的23.13 MJ kg-1，符合泰国标准（≥20.93 MJ kg-1）。这表明增加LWC比例能有效提升燃料的能量密度。
燃烧速率（BR）：B1混合料的BR（平均0.43 g min-1）略高于B2混合料（0.41 g min-1），意味着B1燃料棒点火更快，适合需要快速热量的场景。
特定燃料消耗（SFC）：B1混合料的SFC（平均118.05 g L-1）显著低于B2混合料（122.53 g L-1），表明B1燃料棒在烧水时更节省燃料。
烧水效率（WBE）与烧水曲线：B1混合料的WBE更高（平均21.58%），其烧水曲线显示能在25–30分钟内将水加热至接近沸腾，适合快速烹饪。而B2混合料（特别是B2-CP）虽然加热至沸腾时间较长（40–50分钟），但能维持沸腾温度更久（达60分钟），显示出更好的热保持能力，适合需要长时间慢炖的场合。所有测试燃料棒的峰值水温均高于商用木炭。
3.3. 经济可行性分析
生产成本分析显示，使用木薯皮（CP）和木薯块茎（CT）作为粘合剂的配方，由于其原材料成本更低，总生产成本低于使用木薯淀粉（TS）的配方。为实现一年投资回收期，并假设售价为0.769美元/公斤，各配方所需的最低年产量在13.46吨/年（B1-CP）到18.33吨/年（B2-TS）之间。这表明采用CP或CT粘合剂的小规模生产在经济上是可行的。
综合来看，本研究得出以下结论：将木薯根茎与入侵性银合欢木材共利用，并搭配木薯副产物粘合剂，可以成功生产出性能各异的生物质炭燃料棒。B2混合料（CRC:LWC = 50:50）在提高燃料棒密度、耐久性和热值方面表现更佳；而B1混合料（CRC:LWC = 75:25）则具有更快的燃烧速率、更高的烧水效率和更低的燃料消耗。粘合剂类型影响了燃料棒的机械强度、抗水性和高热值，但总体性能更多地取决于炭的组成比例。经济评估表明，使用CP或CT作为粘合剂的方案更具成本优势。这项研究不仅为木薯产业废弃物和入侵植物银合欢的资源化利用提供了科学依据和技术路径，还展示了开发适用于不同烹饪需求（快速加热或持久保温）定制化燃料产品的潜力。其意义在于为实现农业废弃物管理、入侵物种控制和农村可持续能源供应三者协同的循环生物经济模式提供了实证支持，有助于提升热带地区的能源韧性和环境可持续性。当然，未来研究仍需在排放特性、不同炉具和用户环境下的实际性能以及大规模生产的稳定性等方面进行深入探索。
