综述：表面活性剂增强型生物质水热碳化的进展：理论基础、产品特性、污染物控制、工艺参数及机理研究

表面活性剂增强生物质热解碳化（HTC）技术研究进展，重点分析其机理、对产物分布与特性的影响、污染物治理及工艺参数优化，指出Span 80等表面活性剂的有效性及未来研究方向。

周春飞|周春华|姜海伟|史金明|尹欣|刘晓萍|江雄波|姜敏|黄华军

江西农业大学国土资源与环境学院，中国江西省南昌市，330045

摘要

水热炭化（HTC）工艺已被广泛用于生物质的低温处理，以生产多功能的水炭。近年来（2019–2026年），表面活性剂被引入生物质HTC系统中，以提高水炭的产量并改善其物理化学性质。然而，关于表面活性剂辅助生物质HTC研究的常见发现和现有挑战仍缺乏系统的总结和批判性分析。本综述首先阐明了表面活性剂在生物质HTC中应用的理论基础，然后总结了表面活性剂对HTC产物分布和特性的影响，讨论了潜在污染物（包括重金属和多环芳烃PAHs）的命运，并探讨了工艺参数如何影响表面活性剂的性能。最后，综合了关于表面活性剂作用机制的理论见解。HTC过程中固有的气-液-固三相竞争反应与表面活性剂的亲水性本质之间的相互作用，构成了表面活性剂增强生物质HTC的主要理论基础。表面活性剂的效率取决于生物质的物理化学性质、表面活性剂的亲水-疏水平衡以及反应温度和表面活性剂用量等工艺参数。已报道的对生物质HTC有效的表面活性剂包括Span 80、Tween 80、十二烷基苯磺酸钠、磷脂乙醇胺和胆酸钠，其中Span 80还显示出减少重金属和PAHs污染的有益效果。总体而言，本综述为当前和未来的表面活性剂增强生物质HTC研究提供了宝贵的理论见解和指导。

引言

可持续发展已成为全球共同的目标。每个国家都必须以平衡的方式考虑社会、经济和环境因素，为人类构建一个可持续和和谐的未来。随着石油、天然气和煤炭等不可再生资源的持续枯竭，高效利用生物质资源已成为实现可持续发展的关键途径之一（Awasthi等人，2022；Konyannik和Lavie，2025）。生物质资源丰富多样，分布广泛，包括作物残余物、林业废弃物、城市有机固体废弃物、藻类、食品加工残余物和牲畜粪便（Wu等人，2022；Xu等人，2022；Yangin-Gomec等人，2025）。生物质被认为是地球上最丰富的可再生碳源（Qiu等人，2025）。其可回收的有机成分——纤维素、半纤维素、木质素、蛋白质和脂质——主要由碳、氢、氮和氧组成。通过适当的转化技术，生物质可以转化为有价值的固体、液体或气体产品（Hussin等人，2023）。迄今为止，已经开发并应用了多种技术将可再生生物质转化为能源、化学品和功能材料。这些技术包括堆肥、厌氧消化、热解、气化和水热炭化（HTC）（Ali Qamar等人，2023；Elgarahy等人，2024；Ge等人，2025；Liu等人，2022b）。

在各种生物质利用技术中，HTC工艺是一种能够在低温至中等温度下直接处理高水分生物质的热化学方法。通常，HTC在180 °C–260 °C的温度下进行，持续时间从几分钟到几小时不等，使用水作为反应介质。在此过程中，生物质被转化为水炭（目标产品）、工艺水（副产品）和合成气（副产品）（Awasthi等人，2022；Du等人，2023；Xiong等人，2021）。水炭具有广泛的潜在应用，包括吸附和净化、碳封存、土壤改良以及作为固体燃料（Gong等人，2025；Mahmood Al-Nuaimy等人，2024）。人们也越来越关注工艺水的定性分析和增值利用，例如提取高价值化合物、通过厌氧消化生产沼气、培养藻类和发电（Boamah和Salaudeen，2025；Ipiales等人，2021；Pelaez-Samaniego等人，2024）。生物质原料的物理化学组成是影响HTC过程的主要因素，其次是反应温度、停留时间、底物浓度、反应压力和催化剂的存在等参数（Khan等人，2019；Zhou等人，2020）。提高生物质HTC的工艺效率以实现更高的产品产量和质量，从而提高其实际应用潜力，仍是当前研究的主要焦点。

已证明的有效策略包括共HTC、微波辅助、工艺水循环利用和表面活性剂增强。某些生物质材料具有固有的组成限制，导致HTC效率较低。此外，不同类型生物质的有机组成存在显著差异，这些成分在HTC过程中可以协同作用。鉴于此，研究人员探索了两种甚至三种生物质材料的共HTC，以提高工艺效率并增强HTC产品的产量或质量。Bardhan等人（2021）和Wang等人（2022a）对相关进展进行了全面综述。然而，共HTC增加了反应机制的复杂性，使得精确控制产品特性和保持一致性与质量稳定性变得更加困难。由于微波加热比传统加热方法效率更高，且生物质处理过程中存在某些非热效应，因此引起了极大的兴趣。因此，微波加热在生物质HTC中的应用得到了广泛研究（Guo等人，2022；Wang等人，2020a；Wang等人，2022b；Wang等人，2022c）。相关研究进展可详细参考相关综述（Arpia等人，2021；Nizamuddin等人，2018）。尽管具有优势，微波辅助HTC仍面临若干挑战，包括设备成本高、反应器设计复杂、微波穿透深度有限以及难以实现大规模连续操作。鉴于HTC过程中产生的工艺水中含有大量水溶性有机物和无机化合物，研究人员试图通过重新使用工艺水作为反应介质来提高水炭的产量和质量（Dahdouh等人，2024；Picone等人，2024；Wang等人，2020b）。Leng等人（2020）对工艺水循环利用的研究进展进行了全面综述。然而，这种方法的主要限制在于污染物的累积积累及其引发的链式反应，导致产品质量下降、设备腐蚀和工艺控制困难，这需要仔细评估最佳重复使用次数。

表面活性剂是具有亲水性和疏水性官能团的丞性化合物，因此对极性和非极性物质都具有很强的亲和力。由于这种丞性，表面活性剂可以有效降低水-油、水-固和水-气界面的表面张力和界面张力，从而促进不同相界之间的相互作用（Sánchez Muñoz等人，2022）。表面活性剂已广泛应用于溶解、分离、去污和乳化等领域（Al-Sakkaf和Onaizi，2024；Johnson等人，2021）。生物质HTC本质上是一个复杂的气-液-固三相反应，其中各相之间的热量和质量传递决定了产物的分布和特性。鉴于HTC过程的性质和表面活性剂的界面活性，许多研究最近探讨了使用表面活性剂来提高HTC处理过程中的生物质转化效率（Adeniyi等人，2018；Feng等人，2024；Manogaran等人，2022；Tu等人，2019a；Tu等人，2019b）。

现有的关于生物质HTC的综述文献主要集中在工艺参数的影响（Heidari等人，2018；Wang等人，2018）、共HTC处理（Gao等人，2025）、工艺水利用（Leng等人，2021；Usman等人，2019）、水炭应用（Azzaz等人，2020；Zhang等人，2019）以及环境或经济可持续性（Cavali等人，2025）上。然而，关于表面活性剂辅助生物质HTC的研究发现仍缺乏系统的总结、分析和比较。这样的全面综述对于识别当前瓶颈和指导这一新兴领域的未来研究方向至关重要。因此，本综述首先阐明了表面活性剂在生物质HTC中应用的理论基础，然后总结了表面活性剂添加对HTC产物产量和物理化学性质的影响，接着详细讨论了影响表面活性剂辅助生物质HTC的关键因素。此外，还综合了当前关于表面活性剂作用机制的理论见解。最后，本综述指出了现有的研究空白，讨论了未解决的挑战，并概述了未来的研究重点。

本综述涵盖了截至2026年1月发表的相关研究。文献搜索使用了Web of Science数据库，并结合了“表面活性剂”、“生物质”和“水热炭化”等关键词。这项工作为推进表面活性剂辅助生物质HTC的研究和应用提供了宝贵的理论参考和数据支持。提高水炭产品的产量和质量将有助于实现更广泛的可持续发展目标，包括清洁能源生产、气候缓解、健康生活和环境卫生。

部分摘录

生物质HTC原理

生物质HTC本质上是一个利用水作为反应介质，在特定温度（180 °C–260 °C）和自压条件下转化生物质成分（如纤维素、木质素、半纤维素、脂质和蛋白质）的过程。该过程产生三种类型的产品：水炭（固相）、工艺水（液相）和合成气（气相）（Sudibyo和Tester，2023；Zhang等人，2019）。如图1所示，生物质的化学成分

HTC产品的产量

如2.1节所讨论，生物质HTC产生三种类型的产品：水炭、工艺水和合成气（图3）。为了更详细地研究表面活性剂对生物质HTC的影响，一些研究进一步使用二氯甲烷提取了工艺水。从这种提取物中获得的浓缩残余物被称为轻质生物油（LBO）。此外，其他研究人员还通过溶剂提取了吸附在水炭表面的有机化合物

工艺参数的影响

为了进一步提高表面活性剂在生物质HTC中的有效性，不仅需要确定最合适的表面活性剂，还需要优化相应的反应参数。目前，这一领域的进展仍然有限。虽然反应温度和表面活性剂用量的影响已经得到了一些关注，但仍需要更系统和深入的研究。

表面活性剂作用的机制

目前，表面活性剂在生物质HTC中的作用机制主要是理论上的，实验验证有限。如2.1节所讨论，生物质HTC是一个涉及固相、液相和气相之间相互作用的复杂反应过程。表面活性剂可以通过改变表面和界面张力来影响质量传递，从而影响HTC过程中的最终产品分布。图10总结了可能的机制

展望与未来方向

总体而言，关于表面活性剂增强生物质HTC的研究仍处于起步阶段，相关的理论框架需要进一步发展和完善。除了理论进展外，还应逐步开展实际研究，探讨表面活性剂在增强生物质HTC中的应用。未来的研究应重点关注以下几个方面：（i）研究生物质的物理和化学特性如何影响表面活性剂的性能，从而提供

结论

表面活性剂的应用为提高生物质HTC的效率提供了有效策略。研究表明，如Span 80、Tween 80、SDBS、PE和SC等表面活性剂可以促进特定生物质原料的有效转化成水炭材料。表现出明显亲水性或疏水性的表面活性剂有助于在水炭表面形成碳微球。此外，表面活性剂可以选择性地富集液相中的某些成分

CRediT作者贡献声明

周春飞：撰写——原始草稿。周春华：项目管理。姜海伟：软件、资源。史金明：数据管理。尹欣：形式分析。刘晓萍：方法学。江雄波：软件。姜敏：验证。黄华军：撰写——审稿与编辑、资金获取。

未引用的参考文献

Heidari等人，2019

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：21707056）、江西省自然科学基金（编号：20192BAB203019和20252BAC240330）以及江西省温室气体核算与碳减排重点实验室的开放项目（编号：2024JXKLCOP011）的支持。