纤维素与低密度聚乙烯共热解机理研究：活化能演变与官能团演化机制解析

　　为解决农业废弃物与塑料污染资源化利用难题，中国研究人员开展纤维素(CE)与低密度聚乙烯(LDPE)共热解机理研究。通过TG-IR、原位红外光谱及FWO/KAS动力学模型，揭示熔融LDPE在350°C促进CE挥发分释放（最大失重率提升10.61%），且其裂解中间体加速CE焦炭脱官能团化，为生物质-塑料协同转化提供理论支撑。

　　

每年中国产生8.56亿吨秸秆和246.5万吨农用地膜，这些废弃物因处理不当造成严重的农业面源污染。传统焚烧或填埋不仅浪费资源，还加剧环境负担。 pyrolysis（热解）技术能将它们转化为清洁燃料和高值化学品，但生物质与塑料的共热解机制尚不明确。尤其当低密度聚乙烯(LDPE)熔融后，如何影响纤维素(CE)的热解路径？二者协同作用能否降低反应能垒？这些问题制约着废弃物协同转化技术的优化。

中国农业科学院团队在《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》发表研究，首次通过热重-红外联用(TG-IR)、原位漫反射傅里叶变换红外光谱(DRIFTS)和Flynn-Wall-Ozawa (FWO)/Kissinger-Akahira-Sunose (KAS)动力学模型，揭示CE与LDPE(7:3混合)共热解的分阶段机制。关键技术包括：1）多升温速率(5-20°C·min^-1
)热重分析；2）实时监测气相挥发物官能团的TG-IR；3）固体基质官能团演化的原位DRIFTS追踪；4）基于非模型法的活化能计算。

Pyrolysis characteristics
热重曲线显示CE在200-500°C窄区间裂解，而LDPE熔融区间(100-500°C)与CE重叠。当加热速率从5°C·min^-1
升至20°C·min^-1
时，CE最大失重率从13.47%·min^-1
增至18.92%·min^-1
，且峰温向高温偏移。共热解体系呈现双阶段特征：200-400°C以CE主导，400-500°C为焦炭催化LDPE裂解阶段。

Activation energy variations
FWO和KAS模型计算显示，在300-400°C区间，共热解体系活化能比纯CE降低3.89-18.66%，证实LDPE裂解产生的氢自由基促进CE糖苷键断裂。而在>400°C阶段，CE焦炭的催化作用使LDPE长链裂解活化能下降。

Functional group evolution
TG-IR检测到共热解在350°C时-CO₂
释放峰增强，对应CE羧基分解加速。原位DRIFTS证实LDPE中间体促使CE焦炭中C=O键含量降低27.3%，表明氢转移抑制了芳香缩合。

该研究阐明LDPE在低温阶段(<400°C)通过物理熔融阻碍CE质子交换，但裂解中间体（如烷基自由基）促进CE挥发分释放；高温阶段(>400°C)CE焦炭催化LDPE断链，形成正向协同。这一发现为设计生物质-塑料共热解工艺提供关键参数：1）控制350°C停留时间以最大化挥发分产出；2）利用焦炭多孔结构强化LDPE催化裂解。Zonglu Yao团队指出，该机制可推广至其他氢给体塑料（如PP、PS）与纤维素的共处理，为农业废弃物高值化利用开辟新路径。