将塑料和生物质废弃物转化为吸附剂：用于二氧化碳/甲烷的分离，并与商用活性炭进行比较

《Waste Management》：Turning plastic and biomass waste into adsorbents: CO 2/CH 4 separation and comparison with commercial carbons

本研究比较了两种商业活性炭（CC1和CC2）与一种新型实验室制备活性炭（NC），后者由后消费塑料和橄榄渣共热解后CO2物理活化制备。通过元素分析、比表面积测试、XRD和XPS表征发现，CC2具有最高碳含量（95.25%）和最佳孔隙结构（比表面积948.55 m2/g，微孔面积780.84 m2/g），显著优于NC和CC1。动态吸附实验表明，CC2在CO2/CH4混合气体中吸附容量达2.90 mmol/g，选择性2.40，而NC因高无机残留导致吸附性能较差，但再生效率高达96.83%。研究证实NC在再生稳定性方面具有潜力，但需通过酸洗、化学活化等改性提升性能。

　　本研究探讨了两种商用活性炭（CC1 和 CC2）与一种新型实验室级活性炭（NC）在吸附性能上的对比。NC 是通过后消费塑料废料与橄榄渣共热解，随后进行 CO? 物理活化制备而成。通过元素分析、近似分析、比表面测量、XRD 和 XPS 等手段对这些材料进行了详细表征。研究结果表明，CC2 在碳含量（95.25%）、氮掺杂（1.62%）和灰分含量（0.82%）方面表现最优，具有高 BET 表面积（948.55 m2/g）和微孔面积（780.84 m2/g），这使其在 CO? 吸附方面具有显著优势。相比之下，CC1 由于几乎不存在孔隙结构，表现出较差的吸附性能，而 NC 虽然具有中等表面积（230.04 m2/g）和较弱的微孔结构，但其再生效率高，适合多次循环使用。

研究背景指出，随着人口增长和不可持续消费模式的加剧，固体废弃物的产生已成为一个重要的环境问题。其中，农业工业残渣和后消费塑料废料尤为突出，通常处理不当，导致温室气体排放和长期环境污染。塑料废料是主要的环境挑战之一，2023 年全球塑料产量达到 4.138 亿吨，仅有 8.7% 来自机械回收的后消费塑料废料。约 25% 的塑料废料被焚烧，55% 被填埋，这种处理方式不仅产生污染气体，还会改变土壤和地下水的化学平衡。橄榄渣作为橄榄油工业的副产品，同样面临处理问题。2016 年欧洲每年产生约 550 万吨橄榄磨固体，其低生物降解性和高有机质含量会对环境造成负面影响，如产生植物毒性并具有抗菌性，使管理变得困难。传统的处理方式包括焚烧和填埋，但这会带来污染气体的产生和化学平衡的破坏。

为解决这些问题，研究者提出了多种资源化利用方法，如将其转化为生物燃料、化学品、堆肥、生物肥料和生物基材料。虽然这些方法具有重要益处，但往往需要复杂的加工过程、高能耗或面临规模化生产的限制。因此，吸附技术因其低能耗和高分离效率，成为一种特别有前景的途径。吸附技术广泛应用于水净化、气体纯化等领域，能够有效去除污染物如重金属、有机化合物、药物和新兴污染物。在气体纯化中，吸附技术特别适用于选择性吸附，如在生物气体升级过程中，通过选择性去除 CO? 来提高生物甲烷的能量含量，使其适用于车辆燃料或注入天然气管网。

研究者认为，吸附技术的优势在于其较低的能源和资本成本、设计灵活性、操作简单性和高分离效率。然而，某些商用吸附材料的成本较高，这促使研究者探索低成本、可持续的替代方案。热化学转化技术如热解，成为一种有前景的策略，通过将废弃物转化为高价值产品。热解是一种在无氧条件下，将碳质原料分解为热解油、可燃气体和固态炭的过程。其中，固态炭虽然关注度较低，但因其碳含量高，具有环境应用的潜力。最近的研究强调了共热解作为一种创新策略，通过同时热解生物质和合成废弃物（如塑料）来生产适合气体吸附应用的先进碳材料。这种方法不仅减少了填埋废弃物和相关排放，还通过促进生物质与塑料之间的协同作用，提升了碳材料的性能，包括改善氢碳比和孔结构。

本研究的重点是通过共热解后消费塑料废料和橄榄渣，并采用 CO? 活化，制备一种新型活性炭（NC）。该材料与两种商用活性炭（CC1 和 CC2）进行了结构和化学特性上的对比，并评估了其在不同浓度下的 CO? 和 CH? 吸附性能，以及在多次吸附-解吸循环中的表现。研究结果显示，CC2 在吸附能力（最高可达 2.90 mmol/g）和 CO?/CH? 选择性（在沼气条件下，摩尔选择性达到 2.40）方面表现最佳，这主要归因于其高度发展的微孔结构，有利于物理吸附。相比之下，NC 的 CO? 吸附能力较低（最高 0.80 mmol/g），但 CH? 吸附能力较高（最高 0.93 mmol/g），导致其选择性较差（0.96），表明需要进一步的改性，如表面功能化或化学活化。CC1 由于几乎无孔隙结构，表现出中等性能，其 CO? 和 CH? 吸附能力分别为 0.95 和 0.92 mmol/g，选择性为 1.04，这可能受到矿物杂质上微弱化学吸附的影响。

尽管 NC 的 CO? 吸附能力和选择性较低，但其表现出高再生效率，使其适用于重复使用的气体分离过程。这表明 NC 在实际应用中具有潜力，特别是在需要高再生性能的场景中。此外，NC 的低生产成本和对丰富废弃物的利用，使其成为一种有吸引力的替代方案。

在材料表征方面，研究通过热重分析（TGA）获得了 CC1、CC2 和 NC 的近似分析数据。结果显示，CC2 具有最低的水分含量（1.29%）和灰分含量（0.82%），同时具有最高的固定碳含量（93.47%），表明其热稳定性和纯度较高。NC 则表现出较高的水分（7.96%）和灰分（44.66%）含量，以及较低的固定碳含量（25.48%），这可能与原料中的无机成分残留有关。CC1 的高挥发性物质含量（13.22%）也反映了其较低的活化程度。

通过氮气吸附-脱附等温线，研究进一步评估了材料的结构特性。CC2 显示出非常高的 BET 表面积（948.55 m2/g）和微孔面积（780.84 m2/g），而 CC1 的表面积几乎为零（2.82 m2/g），NC 的表面积为 230.04 m2/g，显示出较差的孔结构发展。这些结果表明，CC2 在结构和吸附性能方面具有明显优势，而 CC1 和 NC 需要进一步优化其活化和后处理过程以提升性能。

XRD 和 XPS 分析进一步揭示了材料的结构和表面化学状态。CC2 的 XRD 图谱显示出高度无序的 turbostratic 碳结构，具有较宽的碳峰，表明其层间间距较大，且层叠结构较差。CC1 的图谱则显示出与石英或其他杂质（如钾碳酸盐）相关的尖锐峰，这与其矿物来源一致。NC 的图谱显示其结构无序度最高，与石英、方解石和含钾盐的晶体相相关，这与 XRD 和 XPS 的元素分析结果一致。

XPS 分析表明，所有样品均具有 sp2 杂化 C–C 和 sp3 C–C 或 C–O 的贡献，其中 CC2 仅显示出 sp2 和 sp3 的信号，表明其几乎不含无机残留。NC 的图谱则显示出额外的 K 2p 双峰（约 293.2 eV 和 296.0 eV），表明其表面富含钾。这些结果强调了前驱体组成和处理方式对最终碳材料结构无序度、矿物学和表面化学的显著影响。

化学吸附分析（TPD）进一步揭示了不同材料的表面酸性位点特性。CC1 在约 670°C 时显示出明显的解吸信号，这可能与其表面存在的酚类和部分羰基官能团有关。CC2 的图谱则显示出较弱的信号，表明其表面氧官能团较少。NC 的图谱则显示出更复杂的信号，与生物质衍生的碳相似，表明其表面化学多样性较高。

在 CO? 吸附-解吸行为方面，CC2 表现出最佳的吸附能力，其在 80% CO? 浓度下的吸附能力达到 2.90 mmol/g。NC 虽然吸附能力较低，但其再生效率高，表现出良好的重复使用潜力。CC1 的吸附能力较低，其性能受到矿物杂质的影响。在解吸过程中，CC2 和 NC 的解吸效率均较高，而 NC 的解吸效率在不同浓度下均接近 100%，这表明其与 CO? 的相互作用较弱，有利于快速再生。

在 CH? 吸附-解吸行为方面，CC2 的 CH? 吸附能力较低，但其 CO?/CH? 选择性较高，表明其适合用于生物气体升级。NC 的 CH? 吸附能力较高，但其 CO? 吸附能力较低，导致选择性较差。CC1 的吸附能力介于两者之间，但其选择性较低。TPD 分析表明，CC1 的解吸行为主要由其表面的氧官能团主导，而 CC2 的解吸行为则较为平滑，表明其表面氧官能团较少。

在实际应用中，NC 在生物气体升级中的表现略逊于 CC2，但其高再生能力和低成本使其成为一种有前景的吸附材料。为了提高 NC 的竞争力，研究建议采用特定的改性方法，如酸洗去除表面盐分和灰分，优化活化以增加微孔结构，引入氮或氧官能团以增强 CO? 吸附能力，并通过颗粒化改善其在固定床操作中的适用性。

本研究不仅为废弃物的资源化利用提供了新思路，也为开发低成本、高再生性能的吸附材料提供了实验基础。通过结合两种丰富的废弃物，研究展示了如何通过 CO? 活化制备功能化的活性炭，为环保和经济可行的气体分离技术提供了新的方向。