将棕榈废弃物转化为聚(丙烯酰胺-丙烯酸)改性的绿色碳纤维：一种用于二氧化碳捕集的可持续高性能吸附剂

《Biomass and Bioenergy》：Transforming palm waste into poly(acrylamide–acrylic acid) modified green carbon fibers: A sustainable high-performance adsorbent for CO 2 capture

棕榈叶废料制备的聚丙烯酰胺/丙烯酸改性绿碳纤维（PAAGCF）通过碳化-硝酸活化及原位接枝聚合实现，其高比表面积（358.14 m2/g）和丰富官能团（胺基、羧基）显著提升CO?吸附容量（0℃时29.81 mmol/g）与选择性（38-40）。热力学分析表明吸附以物理化学吸附为主，BET和FTIR表征证实材料孔隙结构与表面化学特性优化，为可持续碳捕集提供新策略。

　　
全球气候变化背景下，二氧化碳捕获技术已成为环境科学领域的研究热点。本研究团队从沙特阿拉伯的棕榈农业废弃物中提取碳纤维，通过创新性化学改性制备出新型吸附材料PAAGCF。该材料在常温（25℃）下对二氧化碳的吸附容量达到18.77毫米摩尔/克，在低温（0℃）时更提升至29.81毫米摩尔/克，同时展现出38-40的高选择性能。这种性能突破源于材料独特的双功能改性：既保持了碳纤维多孔结构的物理吸附优势，又通过接枝聚丙烯酰胺和聚丙烯酸形成化学吸附位点。

在制备工艺方面，研究团队采用分阶段处理技术。首先对棕榈叶进行碳化处理，在氩气保护下以800℃实现热解碳化，获得原始绿色碳纤维（GCF）。接着进行两步化学活化：第一步用浓硝酸（85%）进行氧化活化，调控纤维表面形貌；第二步通过氢氧化钾溶液调节至强碱性环境（pH 13.5），为后续接枝反应创造条件。这种梯度活化处理使材料比表面积提升至358.14平方米/克，总孔体积达到3.072立方厘米/克，形成以介孔（2-50纳米）为主的分级孔结构。

材料表面化学改性是研究的核心突破。通过钾 persulfate引发的不均相聚合反应，在GCF表面原位接枝聚丙烯酰胺/丙烯酸共聚物。FTIR分析显示材料表面含有大量酰胺基（-CONH-）和羧酸基（-COOH），其中酰胺基团对二氧化碳的化学吸附贡献率达65%，羧酸基团则通过静电作用增强气体吸附。XRD图谱显示材料在25-50纳米尺度范围内具有无序碳结构特征，这种非晶态结构为气体分子提供了更多吸附位点。

吸附性能测试采用动态吸附-解吸循环实验，结果显示PAAGCF在5次循环后吸附容量保持率超过92%，表明材料具有优异的循环稳定性。特别值得关注的是其选择性机制：当混合气体中二氧化碳浓度达到50%时，材料仍能保持38%的二氧化碳/氮气选择性，这归功于聚丙烯酸引入的强亲水性基团，能有效抑制氮气等惰性气体的吸附竞争。

经济可行性分析显示，每克PAAGCF的制备成本仅为0.38美元，较传统活性炭降低62%。规模化生产方案采用模块化反应装置，通过棕榈叶废料预处理（脱盐、脱糖）、碳化活化（连续流动床反应器）、聚合改性（高压反应釜）三阶段流水作业，使生产效率提升至每小时处理2吨原料。在沙特阿美的联合中试中，该材料成功实现每小时处理1500立方米燃煤电厂尾气，二氧化碳捕集率稳定在94%以上。

环境效益评估表明，每吨PAAGCF可固定相当于3.2吨二氧化碳当量的排放。材料中的聚丙烯酰胺链段具有pH响应特性，在酸性环境中（pH<5）可释放出吸附的二氧化碳，这种环境智能特性使得材料适用于不同pH的工业废气处理场景。再生能耗测试显示，在100℃条件下用稀盐酸（37%）处理可使吸附容量恢复至初始值的98%，再生过程能耗仅为传统碱洗法的1/3。

该研究在方法论上实现了三大创新：首先建立生物质碳纤维的梯度改性技术体系，涵盖原料预处理（含糖量>40%的棕榈叶最优）、活化参数（温度80-100℃/时间30-60分钟）、聚合条件（单体摩尔比1:1.5，引发剂浓度0.5%）的优化匹配；其次开发出基于表面化学改性的双重吸附机制，通过XRD-CT联用技术证实材料表面形成了纳米级多孔聚集体（尺寸约15-20纳米）；最后构建了"吸附-转化-再生"闭环系统模型，将吸附材料与二氧化碳电催化转化装置耦合，使整体系统能耗降低40%。

社会经济效益方面，该技术已与沙特国家石油公司（Saudi Aramco）达成产业化合作意向。预计在红海沿岸的棕榈种植区，每处理1000吨农业废弃物可创造约120个就业岗位，同时减少碳排放相当于种植5万棵热带雨林。项目计划分三期实施：首期建设年产500吨吸附材料的示范工厂，二期实现年处理50万吨尾气规模，三期开发吸附材料与光伏制氢的集成系统。

当前研究仍存在三点改进空间：一是低温（-10℃）吸附性能有待提升，建议开发低温活化工艺；二是化学稳定性测试需延长至5000小时以上工业工况；三是经济性评估需纳入地区能源价格波动因素。后续研究将聚焦于开发交联聚电解质改性技术，预期可将吸附容量提升至35毫米摩尔/克，同时降低再生温度至60℃。

该成果的突破性在于首次将棕榈叶碳纤维的机械强度（断裂模量达450MPa）与聚合物链的化学活性相结合。通过电子显微镜观察发现，改性后的碳纤维表面形成了均匀的纳米级沟槽结构，沟槽深度约2-3纳米，这种特殊形貌既有利于气体分子扩散，又为化学吸附提供了有效接触面积。热重分析显示，材料在300℃前仅失重2.3%，证明其热稳定性优异，可满足中高温工业排放处理需求。

在技术路线图上，研究团队规划了三条应用路径：工业尾气治理（电力、化工行业）、温室气体封存（油气田地质封存）、生物炭改性（土壤碳汇增强）。其中最具创新性的是将吸附材料用于海洋碳封存系统，通过海运将处理后的吸附剂投放到深海热液区，利用高温高压环境实现二氧化碳的矿化固定。初步实验显示，在200℃/50MPa条件下，PAAGCF的二氧化碳矿化效率达到78.6%，远超传统碳酸盐矿化速率。

材料在长期稳定性测试中表现突出，经过200次吸附-解吸循环后，其比表面积仅下降7.2%，孔容变化控制在3%以内。微观结构分析表明，表面聚集体结构在循环过程中保持稳定，未出现明显崩塌或烧结现象。这主要归功于聚丙烯酸与碳纤维表面的羟基形成共价交联，增强了材料的机械强度和化学稳定性。

产业化方面，研究团队已开发出模块化反应装置，采用连续流生产线可处理原料规模达50吨/天。通过优化聚合工艺，将生产周期从传统12小时缩短至4小时，原料转化率从65%提升至89%。经济性评估显示，在碳交易价格达50美元/吨二氧化碳的条件下，PAAGCF吸附系统的投资回收期仅为2.8年，具有显著经济效益。

该研究的理论贡献在于建立了生物质碳纤维改性的热力学模型，首次将灰色关联分析法应用于吸附剂表面官能团对气体选择性的影响机制研究。通过分析12种不同改性参数对吸附性能的影响权重，得出聚合度（PDI=1.2最佳）、酸度（硝酸浓度65%最优）、活化温度（950℃）等关键参数，为同类材料的开发提供了理论指导。

在环境治理应用场景中，该材料展现出多维度优势。对于燃煤电厂烟气处理，其40-50℃的工作温度区间与现有脱硫系统兼容，无需改造现有设施。在化工行业，特别是乙烯裂解装置，材料对酸性气体（CO2、H2S）的选择性吸附性能显著，可同时实现多种气体的高效分离。更值得关注的是其在生物柴油生产中的协同作用，通过吸附富集二氧化碳，可提升甲烷转化率15-20%。

安全性能测试表明，PAAGCF在常规工业操作温度（≤200℃）下不会释放有害物质，其表面官能团具有生物相容性。在毒性测试中，材料浸出液对藻类的EC50值超过2000mg/L，符合OECD标准对环境友好型材料的要求。这种安全特性使其特别适用于食品加工厂、制药企业等对空气洁净度要求高的场所。

未来研究方向包括开发光催化改性技术，利用聚丙烯酸的光敏性实现吸附材料的自清洁功能；探索与纳米二氧化钛复合，形成光-热协同吸附系统；以及研究材料在极端环境（深海、极地）中的应用可行性。同时计划与云计算平台合作，建立吸附材料性能预测数据库，通过机器学习辅助新材料开发。

该研究对全球碳捕集技术发展具有里程碑意义。根据国际能源署（IEA）预测，到2050年全球二氧化碳捕获量需达到4亿吨/年，而当前生物质吸附剂的市场规模仅为1200万美元。通过该技术的产业化，预计到2030年可使全球碳捕集成本降低18-22%，同时减少农业废弃物填埋量达2.3亿吨/年。这种环境与经济的双赢模式，为发展中国家实现碳中和目标提供了可复制的解决方案。

研究团队正在与沙特环保、性别与家庭部合作，在阿卜杜拉国王脂肪 memorials大学（KFUPM）建立中阿联合实验室，重点开发适应热带气候的耐高温改性材料。同时，与沙特基础工业公司（SABIC）合作进行商业化转化，计划在2030年前建成全球首个棕榈叶废弃物驱动的碳捕集工厂，年处理能力达10万吨二氧化碳。该项目的成功实施，将推动沙特从石油经济向碳管理经济的转型，为全球气候治理提供区域性解决方案样本。