双武|董阳武|洪文禄|崔大|卢秋云|吴春雷|迪帕克·潘查尔|潘硕|王青|张学华
教育部油页岩综合利用工程研究中心，东北电力大学，吉林省吉林市，132012，中国
引言
随着中国城市化的快速推进和餐饮业的持续扩张，一次性餐具（DT）被许多餐厅广泛采用，导致DT废弃物大量积累[1]。这类废弃物给城市固体废物管理带来了重大挑战，其长期积累进一步加剧了环境污染。尽管DT由于其可燃性可以成为潜在的碳源，但其较差的燃料质量和高挥发性使其不适合在燃煤电厂直接燃烧，因为这些特性会导致锅炉热效率降低和火焰条件不稳定[2]。因此，迫切需要开发高效且低能耗的处理方法来提高DT废弃物的燃料质量。在各种可用的热化学升级技术中，许多技术需要预干燥过程并且能耗较高。相比之下，水热碳化（HTC）在相对较低的温度和适中的压力下进行，使得有机固体废物中的水分可以直接作为反应介质，从而促进有机物的分解和聚合[3]。
HTC本质上是在加速和受控条件下模拟地质煤化过程[4]。虽然两者都涉及在加热的水性反应介质中有机物的分解和碳化，但HTC在时间尺度、温度、压力条件和反应环境方面与自然煤化过程有显著差异[5]。自然煤化是一个漫长的地质过程，持续数百万年，如图1A所示。植物残渣在缺氧条件下进行厌氧转化，形成泥炭。随着沉积作用的持续和地壳运动，泥炭经历持续压缩和加热，最终形成不同级别的煤炭[6]。相比之下，HTC可以看作是这一自然过程的加速模拟，如图1B所示。HTC中的亚临界水具有低极性、高自催化活性和优异的溶解性等特性[7]。这项技术具有高效、低碳排放和广泛应用等优点，使其成为有机固体废物资源化的一种有前景的方法。
尽管HTC具有巨大潜力，但大多数HTC系统仍依赖淡水作为反应介质，而淡水仅占全球水资源的0.3%[8]。相比之下，海水作为一种丰富且可持续的替代品，尚未得到充分探索[9]。海水中溶解的盐类，尤其是氯化钠，具有催化作用，可以加速半纤维素的水解和木质素的解聚，从而提高碳化效率[10]。此外，海水中的矿物质可以调节反应路径并稳定中间产物，改善水炭的结构均匀性和燃烧性能[11]。基于此，本研究创新性地使用海水替代淡水进行DT的水热碳化，实现了零淡水消耗，并系统地阐明了天然盐类和矿物质在促进碳化反应、调节结构演变和提升燃料性能方面的协同作用。这项工作为高效和可持续的DT转化提供了一条新途径。
在本研究中，我们通过海水介导的水热碳化将DT废弃物转化为人工绿煤。系统的表征显示，合成产品的煤化程度提高，化学组成得到优化，结构稳定性也有所改善。我们对燃烧性能、污染物排放情况和灰渣形成倾向进行了严格评估，以评估其作为煤炭替代品的可行性。我们的发现为可持续的废物转化为能源策略提供了有益的见解，有助于应对全球能源挑战。
材料收集与制备
中国的一次性餐具（CDT）样本来自中国长春市金华街的老街国老铺餐厅。如图1C所示，CDT的组成包括15%的包装皮、15%的纸巾、15%主要由稻壳和淀粉制成的勺子以及55%的竹制筷子。由于直接研磨样品较为困难，包装皮和纸巾被手工剪成小块，而勺子和竹制筷子则直接用于实验。
能量值分析
使用HTC方法处理CDT后，在淡水和海水两种反应介质中均产生了绿煤（水炭）。质量平衡数据见补充材料中的Text S4。本研究旨在评估水炭作为绿煤的可行性，因此以下分析主要集中在水炭上。水炭的产率见图2A。在两种介质中，随着水热温度的升高，水炭的产率均有所下降。
结论
通过在海水中对CDT进行水热碳化处理，本研究成功合成了具有高煤化程度的绿煤。随着水热温度的升高，水炭的高热值（HHV）提高，在220°C时达到最大能量产率70.22%；同时，固定碳（FC）和灰分含量增加，而挥发性物质减少，表明煤化程度得到提升。海水介质在较低温度下促进了脱氧和挥发性物质的沉淀，抑制了挥发性物质的释放。
作者贡献声明
双武：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学研究，数据管理。
董阳武：撰写 – 原稿。
洪文禄：撰写 – 审稿与编辑。
崔大：撰写 – 审稿与编辑。
卢秋云：撰写 – 审稿与编辑。
吴春雷：撰写 – 审稿与编辑。
迪帕克·潘查尔：撰写 – 审稿与编辑。
潘硕：撰写 – 审稿与编辑。
王青：项目管理，资金筹措。
张学华：监督，项目管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国吉林省教育厅的科学技术研究项目（项目编号：JJKH20250863BS）、国家自然科学基金（项目编号：52306226和52476106）以及吉林省科学技术发展计划（项目编号：20250203007SF）的支持。双武感谢中国奖学金委员会（项目编号：202407790002）的支持。
