市政污泥模型化合物水热炭化：反应条件与液相循环对氮掺杂炭材料特性的影响机制

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Hydrothermal carbonization of model compounds of municipal sludge: Effects of reaction conditions and aqueous phase recirculation

本研究通过模型化合物（月桂酸、谷氨酸、纤维素）模拟市政污泥，系统探讨水热炭化（HTC）温度、时间及液相循环（APR）对炭材料氮保留特性与液相产物转化的调控机制。结果表明，APR通过促进芳香化/Maillard反应提升含氧官能团含量，实现氮掺杂炭材料功能化定向调控，为污泥资源化提供"固-液双产物回收"新策略。

　　

Highlight

升温与延长反应时间显著促进有机酸和含氮化合物的形成与转化，导致水炭（hydrochar）产率下降。在270°C反应60分钟条件下，水炭呈现更高氮碳比（N/C=0.019），表明氮保留效果增强。该条件被选作液相循环（APR）实验基准。

结论

本研究通过市政污泥模型化合物（谷氨酸、月桂酸、纤维素）的水热炭化（HTC），系统解析了反应温度、时间及APR对水炭与液相特性的调控规律，主要结论如下：

1）反应条件强化显著促进有机酸与含氮物质转化，导致液相化学需氧量（COD）、总有机碳（TOC）和总氮（TN）降低，同时提升pH值与氨氮（NH₃-N）浓度；

2）APR循环通过累积活性中间体，加速芳香化与Maillard反应进程，增强水炭表面含氧官能团修饰，同步富集氮源性化合物；

3）氮掺杂水炭作为功能性碳基材料的应用潜力显著提升，而富含有机物的HTC液相可作为高效水性碳源用于废水处理，实现"以废治废"的循环经济模式。