微波辅助共热解污泥与香蕉皮优化生物油生产及特性研究：迈向可持续能源与废弃物资源化的创新之路

本研究针对日益严峻的能源需求与污泥处置问题，采用微波辅助共热解技术，将污水污泥（SS）与香蕉皮（BP）协同转化，通过响应面法（RSM）优化工艺参数，获得高产率生物油（41.1%），其碳链分布（C6-C19）与高热值（40.82 MJ/kg）表明其作为化石燃料替代品的潜力，为废弃物资源化与可再生能源开发提供了新策略。

　　

随着全球能源需求的持续增长和化石燃料的日益枯竭，寻找可再生且环境友好的替代能源已成为当务之急。据预测，到2050年全球能源需求将从600艾焦（EJ）增至800艾焦或更高，而目前约80%的能源和65%的电力生产仍依赖煤炭、石油和天然气等传统化石燃料。这种依赖不仅导致温室气体大量排放，还对生态系统和人类健康构成严重威胁。与此同时，城市化与工业化的快速发展产生了大量有机固体废弃物，如污水污泥（Sewage Sludge, SS），其年产量已达4500万吨，且预计到2030年将增加24%，到205年增加51%。污水污泥含有有毒元素、病原微生物及丰富的营养素，若未经处理直接排放，将对环境和人类健康造成危害。当前，污泥的处理方式主要包括填埋、建材利用、沼气生成和焚烧，但这些方法存在效率低、二次污染等问题。因此，开发一种能同时实现废弃物管理和能源回收的技术显得尤为重要。

在此背景下，热解技术作为一种经济有效的处理手段，能够将有机废弃物转化为高热值的生物油、生物炭和合成气。然而，污水污泥的高水分和灰分含量导致其热值较低，且单独热解产生的生物油中含氧、氮、硫化合物较多，使用时易释放SO_x和NO_x等二次污染物。为了克服这些限制，共热解（Co-pyrolysis）技术应运而生，通过将污泥与其他生物质（如农业废弃物）混合，利用协同效应提高生物油产率和质量。香蕉皮（Banana Peel, BP）作为一种富含纤维素和矿物质（磷、钙、镁、钠）的农业废弃物，不仅来源丰富（全球年产量约3600万吨），还能作为微波敏感剂改善热传导，是理想的共热解原料。此外，微波（Microwave, MW）辅助热解因具有加热快速、均匀等优点，能显著提高热解效率和生物油产量。

本研究旨在通过微波辅助共热解技术，将污水污泥与香蕉皮协同转化为高品质生物油，并利用响应面法（Response Surface Methodology, RSM）优化工艺参数，以实现废弃物资源化和能源可持续化的双重目标。相关研究成果发表在《Sustainable Chemistry for the Environment》上。

为开展本研究，作者团队采用了几个关键技术方法：首先，收集并预处理了污水污泥（来自校园污水处理厂）和香蕉皮（来自本地市场），通过晒干和烘箱干燥降低水分，并经球磨和筛分获得450 μm的颗粒；其次，利用自制的微波热解反应器（MWR）进行实验，在氮气氛围下以活化炭（AC）为催化剂促进微波吸收；第三，采用热重分析（TGA）和微分热重分析（DTG）研究了SS、BP及其混合物的热解行为；第四，运用Box-Behnken设计（BBD）和RSM优化了微波功率、停留时间、污泥比例和催化剂用量四个参数；最后，通过气相色谱-质谱联用（GC-MS）和元素分析仪对生物油的化学成分和热值进行了表征。实验共设计了27组运行，以生物油产率为响应变量，建立了二阶多项式模型并进行了方差分析（ANOVA）。

3.1. 初步生物质表征——工业分析和元素分析

通过工业分析和元素分析对SS和BP进行了初步表征。SS的水分、挥发分、灰分和固定碳含量分别为32.20 wt.%、44.95 wt.%、4.37 wt.%和18.48 wt.%，而BP的相应值分别为9.80 wt.%、65.90 wt.%、2.42 wt.%和21.87 wt.%。BP的高挥发分和固定碳表明其适合热化学转化。元素分析显示SS和BP的碳含量分别为25.38 wt.%和38.39 wt.%，还含有一定量的氢和氮。这些结果证实了SS和BP作为热解原料的可行性。

3.2. SS和BP的FTIR分析

FTIR分析揭示了SS和BP中的官能团组成。SS中含有碳水化合物、脂肪、蛋白质和脂质，而BP则含有纤维素、半纤维素、果胶和木质素等碳水化合物。这些成分在热解过程中会挥发形成生物油。

3.3. 影响参数对生物油产率的影响

通过27组实验，生物油产率在31.2%至40.8%之间变化。最高产率（40.8%）在微波功率560 W、停留时间6分钟、污泥比例50%、催化剂用量30%的条件下获得。响应面分析表明，所有四个参数均对生物油产率有显著影响（P < 0.05），且存在交互作用。例如，微波功率和停留时间的增加 initially 提高产率，但超过最优值后因二次裂解导致产率下降；污泥比例和催化剂用量的增加也呈现类似趋势。活化炭的添加使生物油产率从31.2%提高至40.8%，证明了其作为微波吸收催化剂的有效性。

3.4. 生物油产率的方差分析（ANOVA）

ANOVA结果显示，模型的R²和调整R²分别为0.9663和0.9270，表明模型能解释96.63%的生物油产率变异。回归方程中，微波功率、停留时间、污泥比例和催化剂用量的系数均为正値，证实它们对产率有积极影响。模型的F值为24.57（P < 0.05），失拟检验P值为0.162（不显著），进一步验证了模型的准确性和可靠性。

3.5. 响应面优化

通过响应优化器确定的最优参数为：微波功率590 W、停留时间6.4分钟、污泥比例60%、催化剂用量37%，预测生物油产率为41.17%，实验验证值为41.1 ± 0.34%。与文献中其他共热解研究相比，该产率处于较高水平，表明香蕉皮是一种有效的共热解原料。

3.6. 生物油的理化特性

3.6.1. 生物油——化学成分

GC-MS分析显示，生物油中包含酮类、酸类、酯类、胺类等多种化合物，其中42.57%为C₆-C₁₄烃类（汽油馏分），其余为C₁₆-C₁₉烃类（柴油馏分）。这表明生物油的碳链分布与常规燃料油相似，具有作为燃料替代品的潜力。

3.6.2. 生物油的元素分析

元素分析显示生物油含碳77.434%、氢11.204%、氮3.775%、氧7.587%，无硫元素。其高热值（HHV）为40.82 MJ/kg，与重质燃料油相当，且低氧含量和無硫特性减少了腐蚀性和环境污染风险。

4. 结论

本研究成功通过微波辅助共热解技术将污水污泥与香蕉皮转化为高产率、高品质的生物油。响应面优化确定的最佳工艺参数为微波功率590 W、停留时间6.4分钟、污泥比例60%、催化剂用量37%，生物油产率达41.1 ± 0.34%。生物油主要由C₆-C₁₉烃类组成，热值为40.82 MJ/kg，具备作为汽油和柴油替代品的潜力。该技术不仅实现了废弃物的高效资源化，还为可持续能源生产提供了新途径，具有显著的环境和能源意义。未来可通过加氢脱氧（Hydrodeoxygenation）、酯交换（Transesterification）等升级技术进一步降低氧含量，提升生物油的燃料品质。