将蟹壳废弃物转化为高价值复合材料：基于形态与结构表征的资源化利用研究

本研究针对海洋废弃物处理难题，创新性地将蟹壳颗粒（UCSP/CCSP）作为铝基复合材料（AMCs）增强相，通过XRF、FTIR、XRD和SEM-EDS多维度表征，证实碳化蟹壳（CCSP）富含CaO（83.2-86.4 wt%）和(CaMg)CO3晶体，其棒状微观结构可提升机械互锁效应，为可持续复合材料开发提供新思路。

　　

每年全球海鲜产业产生数百万吨蟹壳废弃物，这些富含钙碳酸盐（CaCO₃）的生物质往往被填埋或焚烧，既污染环境又浪费资源。与此同时，工程领域对轻量化、高强度复合材料的需求激增，传统增强材料如碳化硅（SiC）虽性能优异，但存在成本高、不可再生等问题。这一矛盾促使科学家将目光投向海洋生物废弃物——蟹壳中高达60%的钙元素和独特的有机-无机复合结构，能否成为新一代绿色增强材料？

来自尼日利亚海事大学的研究团队在《BMC Environmental Science》发表的研究给出了肯定答案。他们首次系统比较了未碳化（UCSP）与800°C碳化蟹壳颗粒（CCSP）的理化特性，发现CCSP中CaO含量达83.198 wt%，且形成(CaMg)CO₃异质晶体，这种结构可显著提升铝基复合材料（AMCs）的界面结合强度。研究为"变废为宝"提供了科学依据，既缓解海洋污染压力，又降低复合材料生产成本，契合循环经济理念。

关键技术方法
研究采用尼日利亚三角洲州Kurutie河岸的蟹壳为原料，经清洗、晒干、球磨（200 rpm/1.75 h）获得75 μm颗粒，其中CCSP组在氮气氛围下以5.5°C/min升温至800°C碳化1小时。通过X射线荧光光谱（XRF）分析元素组成，傅里叶变换红外光谱（FTIR）检测官能团，X射线衍射（XRD）鉴定晶相，扫描电镜-能谱联用（SEM-EDS）观察形貌与元素分布。

研究结果

物理化学特性
碳化使蟹壳颜色由灰白变为深灰褐（

），水分含量9.78%，灰分16.25%。XRF显示CCSP中Ca（59.462 wt%）和CaO（83.198 wt%）为主导成分，且出现MgO（0.976 wt%），后者可稳定晶界提升润湿性。

FTIR分析
UCSP在3265 cm^-1处显示N-H伸缩振动（

），证实甲壳素存在；CCSP在2512 cm^-1出现O-H振动峰，表明碳化后羧酸基团形成。872 cm^-1处的特征峰验证了CaCO₃的方解石相。

XRD分析
UCSP主峰29.74°对应方解石（d=3.001 ?），而CCSP在29.85°出现(CaMg)CO₃新相（

），8.48°处的宽峰暗示无定形碳生成。

形貌特征
SEM显示UCSP呈结节状（

），CCSP则形成棒状晶体（

），EDS证实Ca、O、Mg元素均匀分布，这种异质结构有利于复合材料应力传递。

结论与意义
该研究证实碳化蟹壳（CCSP）是一种理想的复合材料增强体：其高CaO含量可阻碍位错运动，棒状(CaMg)CO₃晶体增强机械互锁，而残留有机基质（如羧酸基）还能改善耐腐蚀性。相比传统SiC增强体，CCSP成本降低80%且完全可再生。未来研究可探索CCSP在聚合物基复合材料（PMCs）中的应用，或通过表面改性进一步提升界面结合强度。这项成果为海洋废弃物的高值化利用开辟了新路径，对实现联合国可持续发展目标（SDG 12）具有双重意义——既减少海洋污染，又推动绿色制造。