食品工业废弃猪骨制备生物炭用于重金属修复：可持续消费与生产新策略

本研究针对屠宰场废弃猪骨的处理难题及水体重金属污染问题，系统探讨了通过低温慢速热解技术将猪骨转化为生物炭（PBC）用于Cu2+吸附的可行性。研究发现在500°C下制备的PBC具有最高的比表面积（27.68 m2/g）和Cu2+吸附容量（59.4 mg/g），吸附过程符合Fractal-like Pseudo-First-Order动力学模型和Toth等温线模型，且为自发的吸热过程。该技术成本低廉（约1 USD/kg），社会投资回报率（SROI）达1.56，为实现废物资源化及可持续水处理提供了创新路径。

随着全球肉类产量的快速增长，屠宰场产生的动物骨骼废弃物堆积如山，带来了严峻的环境和管理挑战。以泰国春武里府为例，2023年禽肉和猪肉产量持续增加，但有机废弃物处理基础设施却严重不足，仅有不到20%的市政有机废物得到妥善处理。大量的营养丰富的动物骨骼，其主要成分是钙、磷和胶原蛋白，往往被丢弃或仅用于低价值的用途，如动物饲料、肥料和明胶。这不仅是资源的巨大浪费，也错失了利用这些废弃物解决日益严重的水体重金属污染问题的良机。重金属如铜（Cu²⁺）等来自工业、采矿和农业活动，对通过受污染地下水进行饮用和灌溉的人群及生态环境构成严重风险。虽然膜过滤和离子交换等传统处理方法有效，但其高昂的成本往往让资源匮乏的地区望而却步。因此，开发廉价、可持续的吸附剂基处理方法变得至关重要。

为了解决上述问题，一项发表在《Results in Engineering》上的研究提出了一种创新的解决方案：将食品工业的废弃猪骨通过慢速热解技术转化为富含磷酸盐的生物炭（Pig bone-derived biochar, PBC），用于高效吸附水体中的Cu²⁺。研究人员系统探讨了热解温度（300°C, 400°C, 500°C）对PBC结构、性质及其吸附性能的影响，并对其经济、环境和社会效益进行了全面评估。

为开展此项研究，作者团队主要采用了以下几项关键技术方法：首先，从泰国春武里府的屠宰场收集废弃猪骨作为原料；其次，通过慢速热解技术在限氧条件下制备不同温度的PBC；再者，利用多种表征技术（如BET测比表面积、SEM-EDX观形貌与元素、FTIR分析官能团、XRD测晶体结构）系统分析PBC的理化性质；最后，通过批次吸附实验，结合动力学、等温线和热力学模型，深入探究了PBC对Cu²⁺的吸附性能、机理及可重复使用性。

3.1. 猪骨生物炭的元素分析组成

通过SEM-EDX分析发现，随着热解温度从300°C升高到500°C，PBC的碳（C）含量增加，表明碳化程度加深；而氧（O）含量略有下降，归因于含氧官能团的损失。钙（Ca）是主要成分，在400°C时含量达到峰值。氮（N）在较高温度下显著减少，反映了含氮化合物的挥发。这些变化表明温度显著影响了生物炭的化学结构和吸附能力。

3.2. SEM-EDX

SEM图像直观地展示了PBC表面形态随温度的变化。在300°C时，表面相对致密，孔隙较少；400°C时，开始形成更明显的介孔，表面变得粗糙；到500°C时，生物炭呈现出发达的孔隙网络，具有大的孔洞和介孔，结构更加碎片化，可见脊、沟和空腔。这些变化与BET和孔径分布数据一致，表明更高的热解温度促进了更疏松、更异质表面的形成，有利于吸附应用。

3.3. 氮气吸附-脱附等温线

所有三种温度下制备的PBC的氮气吸附-脱附等温线均呈现IV型特征，并伴有H3型滞后环，表明存在发达的介孔结构。随着温度从300°C升至500°C，氮气吸附量显著增加，滞后环更加明显，说明比表面积、孔容和介孔连通性均得到增强。BJH孔径分布图显示，500°C的PBC具有更宽的介孔分布和更高的累积孔容。

3.4. 猪骨生物炭的比表面积、孔径分布和总孔容

数据明确显示，热解温度对生物炭的织构性质有显著影响。BET比表面积从300°C时的7.31 m²/g增加到500°C时的27.68 m²/g。t-Plot法测得的微孔面积仅在500°C时才被检测到（3.36 m²/g）。总孔容（BJH脱附）从300°C的0.02787 cm³/g增至500°C的0.07007 cm³/g。这些结果表明，高温热解有利于形成更发达的孔隙结构，特别是介孔和微孔，这使得高温PBC更适用于环境修复，尤其是作为重金属和有机污染物的吸附剂。

3.5. FTIR分析

FTIR光谱揭示了PBC有机官能团随热解温度的演变。在300°C时，可见O-H、C-H拉伸振动以及N-H弯曲振动等特征峰，表明存在羟基、烷基和蛋白质（胶原蛋白）残留。随着温度升高，这些峰的强度减弱，表明有机质（如胶原蛋白和脂肪）发生热分解，同时芳香结构逐渐形成。500°C时，生物炭显示出更高的芳香性和热稳定性。

3.6. XRD分析

XRD分析表明，羟基磷灰石（Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂）是所有温度下PBC的主要晶相。随着温度升高，出现了氧化钙（CaO）和氢氧化钙（Ca(OH)₂）的衍射峰，这表明羟基磷灰石发生了部分脱羟基化和脱碳酸化。此外，在0-26° 2θ范围内观察到的升高基线表明存在无定形碳组分。这些矿物相的变化对重金属离子的吸附（如离子交换）具有重要意义。

3.7. 铜的去除

3.7.1. pH、剂量和时间对铜去除的影响

溶液pH对PBC吸附Cu²⁺有显著影响，在接近中性pH条件下去除效率最高。PBC的零电荷点（pH_pzc）在6.3-6.5之间，表明其表面在环境相关pH范围内带近中性电荷。吸附剂剂量实验表明，吸附容量在约3 g/L时达到平台期。动力学研究表明，吸附在初始60-90分钟内快速发生，随后逐渐达到平衡。Fractal-like Pseudo-First-Order (FL-PFO) 模型最能描述吸附过程。

3.8. 动力学吸附和吸附等温线研究

3.8.1. 动力学吸附

在300°C、400°C和500°C下，Cu²⁺在PBC上的吸附动力学均最适合用FL-PFO模型描述，其R²值均高于0.997。该模型引入了分形系数（α），能很好地描述PBC这种具有异质表面的吸附剂的吸附行为。随着温度升高，α值从300°C的1.8768降至500°C的1.3722，表明表面能量无序度降低，动力学上更有利于吸附。

3.8.2. 吸附等温线研究

吸附等温线数据最能被Toth模型拟合（500°C时R² = 0.9986），该模型适用于描述非均质表面的吸附。500°C PBC的最大吸附容量（q_m）为59.4 mg/g。Langmuir和Freundlich等温线模型的拟合度次之。这表明Cu²⁺在PBC上的吸附发生在具有不同吸附能位的异质表面上。

3.9. 热力学吸附和脱附研究

3.9.1. 热力学吸附

热力学参数计算表明，Cu²⁺在PBC上的吸附是自发的（ΔG⁰为负值，在-18.68至-26.64 kJ/mol之间）和吸热的（ΔH⁰为正值，56.15至97.78 kJ/mol）。熵变（ΔS⁰）为正值（0.25至0.39 kJ/K·mol），表明在固液界面发生了分子无序度的增加，可能与吸附过程中水分子从表面置换有关。这些参数共同证实了吸附过程的可行性和驱动力。

3.9.2. 脱附研究

使用0.1 M HCl和0.1 M HNO₃作为脱附剂，对吸附Cu²⁺后的PBC-500进行了五次吸附-脱附循环实验。结果表明，经过五次循环后，吸附效率从100%降至72.13%，脱附效率从94.23%降至63.21%。这表明PBC-500具有良好的可重复使用性和结构稳定性。

3.10. 经济影响、环境影响和社会影响分析

成本分析显示，PBC的生产成本低廉，约为8-15泰铢/公斤（约合0.5美元/公斤），远低于商业活性炭（≥50泰铢/公斤）。温室气体排放分析表明，在使用可再生能源的情况下，PBC生产可实现碳负排放（净吸收0.165-0.33 kg CO₂-eq/kg）；即使使用LPG，其净排放（0.12-0.29 kg CO₂-eq/kg）也远低于活性炭（3-4 kg CO₂-eq/kg）。社会投资回报（SROI）分析显示，PBC的SROI比值为1.56，表明其具有显著的社会经济和环境效益。

该研究成功地将废弃猪骨转化为一种高效、低成本且环境友好的吸附剂，用于去除水中的Cu²⁺。研究结论强调了500°C热解温度下制备的PBC具有最优的理化性质和吸附性能。其吸附过程涉及复杂的机制，包括物理吸附、表面络合、离子交换和颗粒内扩散，并能够通过FL-PFO动力学模型和Toth等温线模型得到精确描述。热力学分析证实了吸附的自发性和吸热性。脱附实验证明了材料的可重复使用性。最重要的是，全面的可持续性评估（包括成本、碳排放和SROI分析）凸显了PBC技术在推动循环经济和应对环境挑战方面的巨大潜力，特别适用于废弃物丰富但水处理基础设施有限的地区。这项工作不仅为重金属污染治理提供了切实可行的解决方案，也为实现可持续消费与生产模式提供了科学依据和技术支撑。