本文来自新疆农业大学张学军教授的团队，发表于《Industrial Crops & Products》期刊，本文以新疆棉秆（CS）与农田废弃低密度聚乙烯薄膜（LDPE）为对象，构建热重实验 — 有限元模拟 — 密度泛函理论多尺度分析框架，系统揭示二者共热解的协同效应、动力学特性、热力学规律与微观反应机理，明确最优配比并阐明纤维素、半纤维素、木质素的差异化贡献，为农业固废与残膜协同资源化提供理论支撑。
新疆棉田年残膜用量超 10 万吨、65% 难回收，棉秆超 2000 万吨、80% 仅简单还田，二者造成资源浪费与白色污染，棉秆木质素含量高、处理难度大于稻麦秸秆。共热解可实现秸秆与废塑料协同提质，降低结焦、提升液收、制备高品质燃料与化学品，是农业废弃物资源化的高效路径。棉秆–LDPE 共热解的协同规律、动力学参数、组分贡献及微观机理尚不清晰，传统单尺度研究存在局限。
方法创新：搭建实验 — 模拟 — 理论多尺度协同体系，突破传统单尺度研究瓶颈。
关键发现：CS:LDPE=1:1 为最优配比，平均活化能 184.42 kJ・mol⁻¹，较纯棉秆降 24.62%、较纯 LDPE 降 24.06%，指前因子同步最低。
效应明确：共热解降炭产、提液收、增气态烃类、降 CO，呈现显著正协同。
机理清晰：从电子结构层面定位初始反应位点，揭示自由基交互与电子转移机制。
组分解析：量化纤维素、半纤维素、木质素对共热解行为的差异化贡献。
图2.不同原料的热解气体产物组成。
图2展示不同配比下 H₂、CH₄、CO、CO₂、C₂H₄等气体含量；随 LDPE 比例提高，CO 降低、烃类组分升高，CS:LDPE=1:1 时 CO 与 CO₂均最低，燃气热值最优。
图3.不同材料的TG和DTG曲线(a-L)分别为：CS，CE，CS：LDPE=3：1，MS：LDPE=3：1，LDPE，HM，CS：LDPE=1：1，MS：LDPE=1：1，MC，LG，CS：LDPE=1：3，MS：LDPE=1：3
图4.材料热解实验的反应温度和COMSOL模拟材料的热解反应温度和相变，(A)是热解实验中的热解反应区温度、石英管温度和体系设置温度，(B)是不同材料热解实验的反应区温度，(C)和(D)分别是COMSOL模拟的CS：LDPE=1：1。材料的热解温度和相变。
图 4 (a)：空炉时反应区温度、石英管温度与系统设定温度对比。
图 4 (b)：不同物料热解时反应区实测温度，证明热解为吸热过程。
图 4 (c/d)：CS:LDPE=1:1 的温度场与相变模拟，500℃左右物料开始熔融，与 TG 结果一致。
图5.COMSOL模拟了材料的热解温度和相变。
图5直观展示 0、30、40、80 min 时物料温度分布与热解消融过程，再现传热与相变耦合。图5.COMSOL模拟了材料的热解温度和相变。
图6(A-j)显示了用KAS和FWO方法对CS和LDPE共热解的拟合结果，A-E显示了KAS方法的拟合结果：(A)CS，(B)LDPE，(C)CS：LDPE=3：1，(D)CS：LDPE=1：1和(E)CS：LDPE=3：1共热解；F-i是FWO法的拟合结果：(F)CS，(G)LDPE，(H)CS：LDPE=3：1，(I)CS：LDPE=1：1，(J)CS：LDPE=1：3共热解。
图 6 (A–j)：纯 CS、LDPE 及不同配比共热解的动力学拟合曲线，所有拟合R²>0.95，计算结果可靠。
图7.用KAS法和FWO法计算了CS和LDPE共热解的活化能。
图7展示 FWO、KAS 两种方法计算的活化能随转化率（0.1–0.9）的变化；CS:LDPE=1:1 平均活化能最低，协同降能垒效果最显著。
图8.(A)10℃/m in(B)20℃/m in(C)30℃/m in CS热解的去卷积结果，其中CS：LDPE=3：1，CS：LDPE=1：1，CS：LDPE=1：3。
图 8 (a–c)：不同升温速率下 CS 及共混物的半纤维素、纤维素、木质素、 LDPE 分峰结果，揭示各组分分步分解规律。
图9.基于FWO和KAS方法计算的焓(ΔH)、吉布斯自由能(ΔG)和熵(ΔS)。
给出焓变、吉布斯自由能、熵变随转化率的变化；所有样品ΔH>0（吸热）、ΔG>0（非自发）、ΔS 正负波动，反映反应高度复杂。
图10.实验P(α)和理论Z(α)的主图使用四种模型，分别基于顺序(O)、扩散(D)、成核(A)和幂定律(P)。(A)表示10℃/分钟、(B)20℃/分钟和(C)30℃/分钟的加热速率。
对比实验 P (α) 与级数、扩散、成核、幂律模型理论 Z (α) 曲线；无单一经典模型可完全匹配，共热解为多机制耦合过程。
图11.分子静电势图(电子密度等值面为0.001微米)，(A)CE单体，(B)HM单体，(C)α-O-4 LG二聚体，(D)β-O-4 LG二聚体，(E)γ-O-4 LG二聚体。
图11展示纤维素、半纤维素、木质素二聚体的静电势分布；氧原子区域为负电势富集区，是亲电 / 自由基进攻优先位点。
图12福井函数，(A)CE单体，(B)HM单体，(C)α-O-4 LG二聚体，(D)β-O-4 LG二聚体，(E)γ-O-4 LG二聚体。在该模型中，棕色球体是C原子，红色球体是氧原子，白色球体是氢原子。
标识各分子亲电、亲核、自由基反应中心：纤维素糖苷键 α‑C、半纤维素支链 C、木质素 α‑O‑4 连接 C 为高活性位点。
图13.分子轨道前线(等温面0.02A.U)，(A)CE单体，(B)HM单体，(C)α-O-4 LG二聚体，(D)β-O-4 LG二聚体，(E)γ-O-4 LG二聚体。模型中的棕色球体是碳原子。红色的球是氧原子，白色的球是氢原子。
给出 HOMO（电子供体）与 LUMO（电子受体）分布；生物质富电子区域与 LDPE 发生电子转移，启动共热解反应。
本研究了壳聚糖（CS）与聚乙烯（PE）共热解的协同效应、动力学及反应机理。结果显示：二者共热解存在显著协同作用，可改变产物产率与组成，降低活化能与指前因子；纤维素（CE）、半纤维素（HM）、木质素（LG）贡献各异；反应为吸热、非自发过程，相互作用复杂，经典机理模型无法完全描述，明确了初始反应位点。该技术可协同资源化农业固废与废塑料，提升能效并产出高价值燃料化学品，最优配比下能降低能耗与成本，但工业化面临混合传热不均、过程控制复杂、反应器要求高、放大建模不确定等挑战。未来需结合多尺度反应‑传递耦合模型开展中试，优化预处理、反应器及工况，推动其稳定可控的工业应用。
Co-pyrolysis of cotton stalks and polyethylene film: A study on synergetic effects, kinetic characteristics, and reaction mechanism
通讯单位：新疆农业大学
论文DOI：https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2026.122762
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