腰果壳压块的化学预处理可提升其热解性能，并优化生物炭的特性

《Bioresource Technology Reports》：Chemical pretreatment of cashew nut shell presscakes for enhanced pyrolysis behaviour and tailored biochar properties

本研究系统评估了NaOH、HNO3、H3PO4和H2SO4四种化学预处理对腰果壳饼热解行为及生物炭特性的影响。通过物理化学表征、热重分析及固定床热解，发现酸处理显著提升生物炭产率、固定碳含量和热值，而碱处理则促进芳香结构形成但降低产率。机理分析表明预处理改变了木质素-半纤维素矩阵，影响热解路径。

　　

G. Boopathi|D. Praveen Kumar|S. Monisha|V. Karuppasamy Vikraman

印度泰米尔纳德邦农业大学农业工程学院及研究所可再生能源工程系，哥印拜陀，641003

摘要

腰果壳（CNS）压块经过NaOH、HNO₃、H₃PO₄和H₂SO₄预处理后，进行了物理化学表征、热重分析以及固定床热解实验，以了解预处理对热解行为和生物炭性质的影响机制。热重数据分析采用了动力学和热力学方法，并随后建立了反应模型。重建的模型显示实验数据与模型预测的热谱曲线吻合度超过96%。预处理提高了纤维素含量、元素碳含量和热值，同时热重分析表明腰果壳中的液体成分减少，木质素-半纤维素基质也被破坏。热解实验证实，酸性预处理提高了生物炭产量、固定碳含量、热值以及氧和氮官能团的含量；而碱性预处理则降低了产量和孔径，但促进了芳香结构的形成。总体而言，该研究表明化学预处理显著改变了腰果壳压块的热解路径，从而可以有针对性地调整生物炭的产量和性质，以满足能源、环境和农业应用的需求。

引言

农业工业部门产生了大量的木质纤维素生物质。木质纤维素生物质被认为是生产可再生能源和化学品的可行原料（Raheja等人，2026年）。由于其广泛的可用性、低成本和碳中性特性，木质纤维素生物质成为替代污染环境的化石燃料的理想选择。通过不同的生化或热化学转化途径，木质纤维素生物质可以转化为有价值的固体、液体和气体产品。对于高木质素含量的生物质，热化学转化方法尤为常用（Lee等人，2023年）。热解是一种热化学转化技术，因其简单、廉价、安全且能产生多种产品（如生物炭、热解气和生物油）而受到全球关注。生物炭、热解气和生物油的产量和性质主要取决于原料的特性。然而，低能量密度、高氧含量、复杂的结构以及庞大的体积限制了木质纤维素生物质的广泛应用（Osman等人，2023年）。为了解决这些问题，人们在热解前对生物质进行预处理以改变其性质。文献中报道了多种能够改善热解产物的预处理技术，这些技术可以分为化学预处理、物理预处理、生物预处理或它们的组合（Sunar等人，2025年）。常见的预处理方法包括水洗、热水提取、酸处理、碱处理、真菌降解、微波处理和水热碳化（Kumar等人，2020年；Liu等人，2022年）。其中，使用NaOH、KOH、HNO₃、HCl、H₂SO₄或H₃PO₄溶液对生物质进行预处理已被证明简单且经济有效。这些处理可以去除生物质中的无机成分并改变其化学结构，从而提高热解产物的质量（Moogi等人，2022年）。

腰果（Anacardium occidentale）主要在亚洲、非洲和南美洲国家作为坚果作物种植。印度是腰果的主要生产国，占全球产量的23%。在印度，腰果种植面积为104万公顷，产量为每公顷753公斤（Kaur等人，2023年）。腰果仁被一层蜂窝状结构的壳包裹，这层壳占腰果总重量的55-65%（Sharma等人，2020年）。腰果壳（CNS）含有20-25%的有机液体，其中含有酚类化合物（Mubofu和Mgayya，2018年）。腰果壳液（CNSL）是一种有价值的副产品，可以通过热提取、机械方法或烘焙方式获得。尽管采用了这些提取方法，剩余的腰果壳压块中仍含有部分液体（ábrego等人，2018年）。燃烧时，残留的CNSL会释放酸性气体，限制了其直接作为燃料在腰果加工行业的应用。因此，脱壳和提取液体后，这些腰果壳压块通常被直接废弃。通过采用热解技术可以解决这些问题，实现CNS压块的增值利用。如上所述，对腰果壳压块进行预处理可以产生质量更高的产品并提高能源产量。关于CNS压块热解的研究较少（ábrego等人，2018年；Garg和Das，2020年；Kaur等人，2023年；Nam等人，2020年；Nuithitikul等人，2020年使用H₂SO₄、HNO₃和NaOH对CNS进行预处理，用于Pb（II）吸附）。然而，文献中尚未报道酸性和碱性试剂对CNS压块热解行为的影响。特别是，在相同条件下系统比较多种化学预处理方法并对其进行机理分析仍缺乏。

鉴于此，本文比较评估了四种化学预处理方法（NaOH、HNO₃、H₃PO₄和H₂SO₄）对CNS压块热分解和生物炭产量的影响。研究采用综合实验和分析框架，结合物理化学表征和多梯度热重分析来捕捉预处理对挥发行为的影响。进一步通过等转化动力学和热力学方法分析热重数据，并建立反应模型，以识别主导反应机制，而不仅仅是局限于动力学参数。此外，还在固定床反应器中对原始和预处理后的CNS压块进行了热解实验，以研究原料预处理对生物炭性质的影响。最重要的是，该研究通过将反应模型参数与生物炭性质联系起来，提供了关于化学预处理在CNS压块热解中作用的机理见解。总体而言，本研究为预处理选择、热解反应器设计和生物炭定制提供了实际指导。

部分摘录

生物质收集与制备

腰果壳压块来自印度泰米尔纳德邦的一家当地腰果加工企业。收集到的腰果壳压块被粉碎并筛分至0.18至0.25毫米的粒径。粉碎后的腰果壳压块储存在密封容器中，用于后续实验。图1展示了本研究采用的整体实验流程示意图。

酸/碱预处理

CNS压块的预处理使用了NaOH水溶液

物理化学特性

表1展示了原始和预处理后CNS压块的物理化学特性。初步分析表明，原始和预处理后CNS压块的含水量在4.18%至7.03%之间。较低的含水量有利于热化学转化，因为过高的含水量会降低反应器的热效率，并可能促进影响生物油质量的二次气相反应。

结论

本研究报道了酸性和碱性预处理对CNS压块热解特性的影响。预处理后的CNS压块在物理化学和热降解特性方面有所改善。CNS_H2SO4（136.11 kJ mol^?1）和CNS_HNO3（253.65 kJ mol^?1）的E_a值达到最大和最小。热解实验和后续的生物炭表征表明，化学预处理显著影响了CNS压块的产量和物理化学性质

CRediT作者贡献声明

G. Boopathi：撰写初稿、进行研究、进行正式分析、概念构思。D. Praveen Kumar：可视化处理、资源调配、方法设计、进行研究。S. Monisha：撰写与编辑、验证结果、资源调配、进行研究。V. Karuppasamy Vikraman：撰写初稿、方法设计、进行研究、进行正式分析、概念构思。

写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

在撰写本文期间，作者使用了ChatGPT来纠正语法错误。使用该工具后，作者对内容进行了必要的审查和编辑，并对发表文章的内容负全责。

资金支持

本研究未获得公共部门、商业机构或非营利组织的任何特定资助。

利益冲突声明

作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢Bannari Amman Institute of Technology（埃罗德）、Sathyamangalam、Vel Tech Rangarajan Dr. Sagunthala R&D Institute of Science and Technology（阿瓦迪）以及Amrita Vishwa Vidyapeetham（哥印拜陀）的Advanced Materials and Green Technologies Centre (COE-AMGT)在提供研究所需资源方面给予的宝贵支持。