利用微波辅助热解技术从能源作物残渣（EFB）和棕榈壳纤维（PKS）制备生物炭，以用于生产控释尿素肥料

《Carbohydrate Research》：Optimisation of microwave-assisted pyrolysis for biochar production from EFB and PKS for controlled-release urea fertiliser

棕榈油废料（EFB和PKS）经微波辅助热解制备生物炭涂层尿素，优化温度400℃和CO?流速300 mL/min，获得高产率（39.07%-56.34%）、适宜O/C（0.4-0.42）和C/N（15.56-26.61）的生物炭，显著减少氮素流失，延长释放周期至30天，提升氮肥利用效率及土壤可持续性。

　　### 优化微波辅助热解技术生产生物炭用于缓释肥料的研究解读

随着全球农业和环境问题的日益严峻，开发可持续、高效的农业资源利用方式成为当前研究的热点。本研究聚焦于通过优化微波辅助热解技术，将空果串（EFB）和棕榈仁壳（PKS）转化为生物炭，作为尿素的包覆材料，用于缓释肥料的制备。这一研究不仅探索了生物炭的制备条件对其性能的影响，还通过实验验证了其在缓释肥料中的实际应用潜力。

#### 研究背景与意义

农业废弃物的再利用是实现可持续农业和资源循环利用的重要途径。其中，棕榈油产业作为重要的农业产业之一，其产生的废弃物如EFB和PKS，不仅是大量资源，也具有转化为高附加值产品的潜力。生物炭作为一种由生物质热解产生的产物，因其丰富的孔隙结构、高比表面积和稳定的化学性质，被广泛应用于土壤改良、污染物吸附和肥料包覆等领域。然而，传统的热解方法往往能耗高、操作复杂，限制了其大规模应用。因此，探索更高效、环保的热解技术，如微波辅助热解，成为提升生物炭性能和应用价值的关键。

微波辅助热解技术因其快速加热、选择性能量传递和减少预处理需求，被广泛认为是生物炭制备的一种有前景的方法。相比传统热解方式，微波加热能够提供更均匀的热分布，有助于生成具有更优良结构和化学特性的生物炭。此外，微波热解还能够通过调控温度和气体流速等参数，优化生物炭的理化特性，从而更好地满足缓释肥料的需求。

#### 研究方法与实验设计

为了系统评估微波辅助热解条件对生物炭性能的影响，本研究采用了响应面法（RSM）和方差分析（ANOVA）相结合的方法。通过设计中央复合设计（CCD），研究者对EFB和PKS的热解温度（300–700?°C）和CO?流速（200–500?mL/min）进行了多组实验，并构建了二次模型来预测生物炭产率、氧碳比（O/C）和碳氮比（C/N）等关键指标。

实验结果显示，温度是影响生物炭产率和O/C比的主导因素，而CO?流速对C/N比具有显著影响。最优条件设定为400?°C和300?mL/min的CO?流速，分别获得了39.07?wt%和56.34?wt%的生物炭产率。O/C比为0.4–0.5，C/N比为15–30，这些特性均符合缓释肥料对生物炭包覆材料的要求。

#### 生物炭的理化特性分析

通过对生物炭的物理化学特性进行分析，研究者进一步揭示了其在缓释肥料中的潜在应用价值。例如，EFB生物炭表现出较高的挥发性物质含量，这表明其具有较强的表面反应活性，有利于与尿素形成稳定的结合结构。相比之下，PKS生物炭的灰分含量更高，且其表面结构更加疏松，有助于快速释放营养物质。

从表面功能团的角度来看，EFB生物炭富含羟基、酚羟基和羧基等含氧官能团，这些官能团在尿素包覆过程中起到了关键作用。它们能够通过氢键和静电相互作用与尿素分子结合，从而延缓氮的释放速率。而PKS生物炭虽然也含有丰富的含氧官能团，但其灰分中含有的碱性矿物（如CaO和P?O?）则加速了尿素的水解和硝酸盐的释放，使其更适合短期作物需求。

此外，研究者还对生物炭的比表面积、孔隙结构和表面形貌进行了详细分析。EFB生物炭的比表面积较低，但其孔隙结构更紧密，有助于增强尿素的吸附和缓释性能。PKS生物炭的比表面积略高，且孔隙尺寸更大，这使其具有更好的水渗透性和扩散能力，有利于快速释放养分。

#### 生物炭包覆尿素的性能评估

为了验证生物炭作为尿素包覆材料的有效性，研究者制备了不同包覆比例的生物炭包覆尿素肥料（如1:1、1:0.75、1:0.5和1:0.25）。通过土壤柱淋洗实验，研究者观察到这些包覆材料在30天内能够实现分阶段的硝酸盐释放。例如，EFB包覆尿素在30天内分四阶段释放了约45?mg/L的硝酸盐，而PKS包覆尿素则在16天内分三阶段释放了约40?mg/L的硝酸盐。相比之下，未包覆的尿素在3天内就释放了近50?mg/L的硝酸盐，表明生物炭包覆有效降低了氮的流失，提高了氮的利用效率。

研究者还指出，生物炭的包覆比例对释放行为具有重要影响。较高的包覆比例（如1:1）能够提供更强的扩散屏障，延缓氮的释放速率，但可能会减少尿素的总负载量，影响肥料的整体效果。因此，需要在包覆厚度与释放速率之间找到最佳平衡点，以确保高效利用的同时减少损失。

#### 生物炭包覆机制与释放行为

生物炭包覆尿素的机制涉及多个层面的相互作用。首先，生物炭的表面功能团（如羟基、酚羟基和羧基）能够与尿素分子形成氢键和静电相互作用，从而增强其吸附能力。其次，生物炭的孔隙结构和表面形貌决定了尿素的释放路径和速率。EFB生物炭由于其较高的挥发性物质含量和更紧密的孔隙结构，表现出更长的释放周期，适合长期缓释肥料的应用。而PKS生物炭则由于其较高的比表面积和较大的孔隙尺寸，能够更快地释放养分，适用于短期作物需求。

此外，生物炭的灰分成分也对释放行为产生影响。PKS生物炭富含碱性矿物（如CaO和P?O?），这些矿物能够促进尿素的水解和硝酸盐的释放，但同时也可能增加氮的挥发风险。相比之下，EFB生物炭的灰分成分以钾、钠等为主，能够通过离子交换作用增强尿素的保留能力，从而减少氮的损失。

#### 研究结论与应用前景

本研究的结果表明，通过优化微波辅助热解条件，可以制备出具有优良理化特性的生物炭，作为尿素的包覆材料，用于缓释肥料的制备。EFB和PKS生物炭分别表现出不同的释放特性，其中EFB生物炭更适合长期缓释，而PKS生物炭则适用于短期释放。这种差异性为农业实践中根据不同作物需求选择合适的包覆材料提供了科学依据。

此外，研究者还指出，虽然实验室条件下的实验结果良好，但将微波辅助热解技术推广至工业生产仍面临挑战。例如，如何实现均匀加热、稳定气体流速以及处理大量生物质材料，都需要进一步的技术优化。同时，经济可行性和能耗问题也是未来研究需要关注的重点。

总的来说，这项研究为生物炭在农业领域的应用提供了新的思路，特别是在提高氮利用效率和减少环境影响方面具有重要意义。未来的研究可以进一步探索生物炭包覆尿素在实际农业生产中的表现，以及如何通过优化热解条件和包覆比例，实现更高效的缓释效果。