林业科学

作者：马欣欣,王游,王佳军,冯龙,马建锋*

单位：国际竹藤中心　竹藤科学与技术重点实验室　北京100102

关键词：毛竹,高温热解,竹材灰分组成,硅分布

基金：国际竹藤中心基本业务费项目“竹纤维超分子结构的温度响应机制研究”（1632022017）。

目的: 探究梯度热解过程中竹材灰分质量分数变化及组成转化规律，重点探讨硅元素在竹材不同部位的分布特点，揭示高温热解对硅元素分布的影响机制，为开发高效的竹材脱灰工艺和制备高纯度竹炭提供数据支撑。方法: 选取1年生毛竹，采用SEM-EDXA、XRF、XRD等分析技术，对比研究不同梯度热解时（350、500、800、1 000 ℃）竹材不同部位（竹材内外表皮、气孔、节间、竹节）灰分质量分数变化及组成转化规律，探讨硅元素在竹材内外表皮、气孔、竹青、竹肉、竹黄处的分布特点，阐明高温热解对硅元素分布的影响机制。结果: 竹材灰分主要由CaO、K2O、SiO2、Al2O3等组成，也含有一定量的硫氧化物（SO3）、磷氧化物（P2O5）。XRD分析表明，节间炭灰分组成为KCl、K2SO4、KalSiO、KFeSiO4等，竹节中除上述无机盐外，还含有明显结晶态的SiO2。当热解温度达800 ℃时，KAlSiO、KFeSiO4等含硅无机盐类生成，炭基体中出现短程有序的涡轮层状结构。对比节间和竹节硅元素分布发现，二者在外表皮、气孔处均具有极高质量分数的硅；与节间不同，竹节处除临近表皮的薄壁细胞中出现含硅颗粒外，竹肉和竹黄薄壁细胞中也出现微米级含硅颗粒，且均以硅氧化物形式存在。SEM-EDXA元素分布半定量分析表明，节间和竹节硅元素质量分数在500 ℃达到最高，竹材外表皮硅元素质量分数在800 ℃达到最高。随着高温条件硅酸盐和硅铝酸盐的生成，硅元素质量分数逐渐降低。钾元素质量分数在整个热解过程中呈线性升高趋势。高温热处理过程中，因氢、氧等元素挥发以及少量碳元素消耗，细胞壁中部分硅裸露出来，形成硅氧化物沉积于导管和薄壁细胞的细胞腔中。结论: 1） 节间和竹节中灰分组成近似，节间灰分质量分数更高；硅元素广泛分布于竹材外表皮、气孔以及临近竹青的薄壁细胞中；2） 当热解温度达500 ℃时，竹节和节间中CaO、K2O等无机盐的质量分数达到最大，持续升温至800 ℃时，这些无机盐类转化为硅酸盐和硅铝酸盐；3） 高温热处理造成节间硅的释放，沉积于导管和薄壁细胞的细胞腔中。

来源：2025年第2期

《林业科学》期刊编辑部

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