金合欢单宁非等温热解动力学研究：生物质能源转化与可持续材料开发的创新路径

本研究针对金合欢单宁热解动力学机制不明确的问题，采用FT-IR/NMR/XRD/SEM多模态表征结合TGA技术（10-25 K/min升温速率），通过NETZSCH Kinetics Neo软件对比模型拟合（Fn/DFn）与等转化率法（Vya/Fr/NOA），揭示四阶段降解特征（Ea最高达442.34 kJ/mol），建立最优n级平行反应模型（R2=0.99979），为生物炭/生物能源生产提供精准动力学依据。

　　

在追求碳中和的时代背景下，生物质资源的高效转化成为材料科学与能源领域的关键课题。金合欢（Acacia Mollissima）树皮富含高达46%的缩合单宁（condensed tannins），这类多酚类物质虽在食品、医药和制革业广泛应用，但其热解过程中的低熔点、易膨胀特性严重制约工业化应用。传统热化学转化技术因缺乏精准动力学参数，难以优化反应器设计和产物收率，造成能源浪费和产物品质不稳定。

为破解这一难题，来自摩洛哥Maamoura森林的研究团队在《Biomass and Bioenergy》发表重要成果。研究人员通过创新性地整合多种分析技术：首先采用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）确认单宁的羟基（3397 cm^?1）和芳香环特征峰（1621 cm^?1），核磁共振（NMR）与X射线衍射（XRD）揭示其非晶-晶区共存结构，扫描电镜（SEM）则发现独特的蜂窝状形貌。核心实验采用热重分析仪（TGA）在10-25 K/min升温速率下监测热解过程，结合NETZSCH Kinetics Neo软件进行动力学建模。

【材料表征】

XRD图谱显示单宁存在15°和43°特征衍射峰，证实其部分结晶特性；FT-IR检测到2928 cm^?1甲基振动峰和1621 cm^?1芳香环变形峰，与缩合单宁典型结构吻合。

【热解动力学】

TGA曲线呈现四阶段质量损失：第一阶段（63.35 kJ/mol）对应水分蒸发；后续阶段依次为糖苷键断裂（257.01 kJ/mol）、芳香环降解（202.69 kJ/mol）和最终碳化（442.34 kJ/mol）。模型拟合方法（Fn/DFn）显著优于等转化率法，最优四反应平行模型符合n级动力学方程f(α) = (1?α)ⁿ，相关系数达0.99979。

【技术应用】

该研究首次建立金合欢单宁精准热解模型，揭示其高活化能（442.34 kJ/mol）特性特别适合生产高碳残留物。通过蒙特卡洛模拟可预测不同温度区间的产物分布，指导流化床反应器设计，优化生物油（bio-oil）产率。

这项研究的突破性在于将基础动力学与工业需求深度耦合：一方面为生物质热解提供新的理论框架，另一方面推动单宁在碳泡沫（carbon foam）、生物塑料等高端材料的应用。研究团队特别指出，模型拟合方法在预测复杂生物质转化过程中的优越性，将显著提升连续式热解反应器的能效比。这些发现不仅填补了单宁热解动力学的知识空白，更为实现联合国可持续发展目标（SDGs）中的清洁能源生产提供了关键技术支撑。