综述：水热碳化法将生物质废弃物转化为高附加值水热炭及其在水修复中的应用

这篇综述系统探讨了水热碳化（HTC）技术将高湿生物质废弃物转化为水热炭（hydrochar）的机制与应用，重点分析了水解、脱水、脱羧和缩聚等反应路径，以及温度、停留时间和底物浓度等关键参数对产物特性的影响。文章强调水热炭在污染物吸附（如重金属、有机微污染物）和水修复中的潜力，并指出其表面官能团（如-COOH、-OH）和孔隙结构对吸附性能的调控作用，为可持续废物资源化和环境治理提供了新思路。

水热碳化技术：从生物质废弃物到环境修复材料

1. 引言

随着工业化和城市化进程加速，高湿生物质废弃物（如污水污泥、农业残余物）的处理成为重大挑战。水热碳化（Hydrothermal Carbonization, HTC）作为一种新兴的热化学转化技术，能在亚临界水条件下（180–260°C，2–6 MPa）将生物质转化为富含碳的水热炭（hydrochar）。这一过程无需预干燥，显著降低了能耗，同时产物具备高碳含量、大比表面积和丰富的含氧官能团（OFGs），使其在废水修复、土壤改良和能源生产等领域展现出独特优势。

2. 水热炭的制备机制

HTC反应通过多步并行路径完成：

• 水解：在180–200°C下，生物质中的半纤维素和纤维素断裂为寡糖单体，木质素则生成愈创木酚等酚类化合物。
• 脱水：羟基（-OH）的移除形成水分子，并产生糠醛和5-羟甲基糠醛（HMF）等中间体。
• 脱羧：羧基分解释放CO₂和CO，温度超过150°C时反应加速。
• 缩聚与芳构化：活性片段通过醚键（-COC-）聚合，形成类木质素结构，温度升高促进芳香环的生成。

3. 关键工艺参数的影响

• 温度：温度从180°C升至300°C时，水热炭产率下降（如污泥从66.18%降至53.00%），但固定碳含量增加（如造纸污泥提升52.4%）。
• 停留时间：延长反应时间（2–20小时）促进聚合反应，减少挥发分，但过长时间可能导致过度缩合。
• 底物浓度：高浓度（如160 g/L）促进微球形成，而低浓度（40 g/L）利于水解产物的扩散。

4. 水热炭的表征与改性

水热炭的 proximate分析显示，高温处理显著降低挥发分（如28.8%），提高灰分（24.8%）和固定碳（52.4%）。Van Krevelen图表明，H/C和O/C原子比随反应严重度降低，趋近于褐煤特征。通过KOH或ZnCl₂活化可大幅提升比表面积（如稻壳炭达3362 m² g^-1），并引入亲水性官能团（如羧基），增强对污染物的亲和力。

5. 污染物去除应用

活化水热炭通过多种机制吸附污染物：

• 重金属（Pb²⁺、Cu²⁺）：依靠离子交换和表面络合，最大吸附量达357 mg g^-1。
• 有机污染物：如双酚A（BPA）和四环素通过π-π堆积和氢键作用去除，改性橙皮炭对四环素的吸附量达207.11 mg g^-1。
• 阴离子：磷酸盐通过羟基配位吸附，造纸污泥炭在真实废水中去除率达97%。

6. 挑战与未来方向

尽管HTC技术前景广阔，但规模化生产的经济性、活化过程的优化及多污染物协同吸附机制仍需深入研究。未来可通过生命周期评估（LCA）和工艺集成（如结合湿地处理）进一步提升其可持续性。

7. 结论

水热碳化将废弃物转化为高附加值材料，兼具环境与经济效益。其产物水热炭的定向改性和应用拓展，为循环经济和全球可持续发展目标（SDGs）提供了切实可行的解决方案。