高BOD废水碳封存技术制备高效超级电容器电极及其在生物循环绿色经济中的应用

本研究针对生物乙醇蒸馏废水中有机物回收与温室气体减排需求，通过水热碳化(HTC)结合化学活化制备多孔活性炭(AC)，并负载醌类分子(1,4-蒽醌/AQ和9,10-菲醌/PQ)提升电极性能。结果表明，16 wt% PQ负载的AC在0.1 M H2 SO4 电解液中实现488.21 F g?1 比电容，循环1000次后保持95.3%容量，成功驱动多色LED照明系统，为废水资源化与碳中和目标提供创新解决方案。

　　

随着全球气候变化加剧，生物质废弃物的资源化利用成为实现碳中和目标的关键路径。生物乙醇蒸馏产生的废水（spent wash）含有高浓度有机物（TOC 12 g L^?1
），传统处理方式难以有效回收碳资源。这类废水若直接排放，不仅造成资源浪费，还会加剧温室效应。如何将废水中的有机碳转化为高附加值材料，同时满足能源存储需求，成为环境与能源交叉领域的重大挑战。

针对这一问题，来自泰国KTIS Bioethanol公司的研究人员联合多国团队，在《Carbon Resources Conversion》发表了一项突破性研究。他们通过蒸发预浓缩（10小时使TOC提升至62.55 g L^?1
）、水热碳化（220°C/24小时）和KOH活化（1:2.5质量比，600°C）三步法，将废水转化为比表面积达230.64 m²
g^?1
的活性炭(AC)。创新性地采用湿浸渍法(WI)和湿式浸渍法(WN)负载氧化还原分子9,10-菲醌(PQ)和1,4-蒽醌(AQ)，构建出兼具双电层电容(EDLC)和赝电容特性的复合电极材料。

关键技术包括：1）废水蒸发预浓缩提升碳收率；2）水热碳化联合KOH活化制备多孔AC；3）醌类分子负载优化（8-16 wt%）；4）三电极体系测试（0.1 M H₂
SO_{4>电解液，Ag/AgCl参比电极）；5）对称超级电容器组装驱动LED验证应用。}

3.1 活性材料表征
通过BET测试发现，KOH活化使AC孔径从72.6 nm（原始水热炭）缩小至2.25 nm，形成微孔结构。SEM显示PQ/AC-16-WN样品表面存在分子层覆盖（图1f），XPS证实C1s峰位移至293.4 eV（图2），表明PQ与AC存在强相互作用。元素分析显示WN法负载的PQ样品氮含量达4.9%，显著高于WI法（2.3%）。

3.2 电化学性能
CV曲线显示，16 wt% PQ负载的电极在10 mV s^?1
扫描速率下呈现典型氧化还原峰（图4k），表明醌分子的可逆转化（C=O?C-OH）。EIS测试表明PQ/AC-16-WN电荷转移电阻(R_ct
)仅36.52 Ω（表2），低于AC本体的396.37 Ω。GCD测试证实其比电容达488.21 F g^?1
（1 A g^?1
），是原始AC的2.5倍。

应用验证
由两个PQ/AC-16-WN电极组装的对称超级电容器，在3V充电10分钟后可驱动红色LED（1.8V）持续照明41分钟（图6b₁
-b₄
）。相比文献报道的污泥衍生AC（287 F g^?1
）和食品废弃物AC（189.7 F g^?1
）（表3），本研究通过醌分子修饰策略将性能提升70%以上。

该研究开创性地将生物乙醇废水转化为高性能储能材料，突破传统废水处理"末端治理"模式。提出的"蒸发-HTC-活化-修饰"技术路线，为工业高BOD废水提供碳负排放解决方案，完美契合生物循环绿色经济（BCG）模型。未来通过优化醌分子负载工艺与规模化生产，有望推动废水衍生碳材料在智能电网、电动汽车等领域的实际应用。