通过石墨化工艺改良的生物炭，用于太阳能驱动的营养物质回收及可持续的沼气浆料增值利用

《Green Chemistry》：Graphitization-engineered biochar for solar-driven nutrient recovery and sustainable biogas slurry valorization

基于太阳能驱动生物炭蒸发器的营养污泥资源化研究揭示了结构-性能关系：高温生物炭蒸发器（HBE）通过石墨化提升太阳能吸收效率（92.4%），多孔网络优化降低蒸发焓，实现污泥体积缩减57.9%，氮磷钾回收率分别达55.11%、31.0%、38.3%。

　　

利用低成本的生物炭蒸发器进行太阳能驱动的界面蒸发是一种可持续且极具前景的方法，可用于实现富含营养物质的沼气浆液的增值利用。然而，这一技术的进展受到限制，主要是因为人们对生物炭可调的物理化学性质如何调控光热转换、水分传输以及营养物质结晶过程之间复杂相互作用的理解还不够深入。本研究通过结合先进的实验方法和第一性原理模拟（DFT和MD），系统地阐明了这些结构与性能之间的关系，从而填补了这一知识空白。高温生物炭蒸发器（HBE）实现了高达3.58 kg m^?2 h^?1的蒸发速率，这一优异性能得益于其电子结构和物理结构的协同优化，尤其是生物炭石墨化程度的提升。DFT计算表明，石墨化作用缩小了HOMO-LUMO能隙，显著增强了宽带太阳能吸收能力（92.4%）和光热转换效率。同时，MD模拟显示，经过优化的多尺度孔隙结构及亲水表面官能团有助于快速传输水分，并降低了蒸发过程中的能量消耗。这一高效节能的过程使得沼气浆液体积减少了57.9%；在实现营养物质精准回收的同时，液态NO₃^?含量增加了55.11%，而固态磷（P）和钾（K）的回收率分别达到了31.0%和38.3%。本研究建立了一个多尺度机制框架，为高性能光热蒸发器的合理设计提供了理论依据，为可持续利用富含营养物质的废水开辟了可行路径。