水葫芦生物炭的优化制备及其在生物催化与染料吸附中的应用研究

本研究针对水葫芦泛滥造成的环境问题，通过水热液化(HTL)技术优化制备生物炭(biochar)和生物油(bio-oil)，采用Box-Behnken响应面法(BB-RSM)确定最佳工艺参数（260°C、54 bar、溶剂/生物质比1:18），生物炭产率达56.8 wt.%，并证实其作为生物催化剂可生产56.13 wt.%液体燃料，吸附效率达10.21 wt.%，为可再生能源开发和碳中和目标提供新策略。

　　

水葫芦（Eichhornia crassipes）作为全球泛滥的水生入侵物种，每年每公顷可产生150吨生物量，不仅堵塞航道，还加剧水体富营养化。但讽刺的是，这种“绿色污染”却富含木质素、纤维素等结构碳水化合物，恰恰是制备生物炭(biochar)的理想原料。在碳中和背景下，如何将这种环境负担转化为可再生能源，成为科学家们亟待解决的难题。

台湾省云林科技大学的研究团队在《Process Safety and Environmental Protection》发表的研究中，创新性地采用水热液化(HTL)技术将水葫芦转化为高附加值产物。通过Box-Behnken响应面法(BB-RSM)优化发现，在260°C、54 bar压力下，以1:18溶剂/生物质比反应90分钟，可获得41.92 wt.%生物炭和42.13 wt.%生物油。更令人振奋的是，优化后产率分别提升至56.8 wt.%和57.4 wt.%，其生物炭经氢氧化钠活化后，既可作为生物催化剂生产56.13 wt.%液体燃料，又能高效吸附染料（7.23-10.21 wt.%），实现了“以废治污”的循环经济模式。

关键技术包括：1) 水热液化(HTL)工艺参数优化；2) Box-Behnken实验设计结合响应面分析；3) 生物炭的氢氧化钠活化处理；4) 生物催化性能测试；5) 染料吸附效率评估。实验原料水葫芦采自印尼亚齐，其他对照生物质（藻类、蘑菇渣等）来自台湾本地。

【水葫芦特性分析】
通过pH测定(6.35)和热重分析证实材料含酸性官能团，灰分仅11.3 wt.%，而纤维素(32.4 wt.%)和木质素(28.1 wt.%)含量显著，这解释了其高转化效率。

【工艺优化】
BB-RSM模型揭示温度与生物质比对生物油产率影响最大，溶剂比例降低虽提高生物炭产率，但会抑制生物油生成。最佳条件下生物油烃类含量达63.2 wt.%，与Kazmi等报道的海洋生物燃料数据相当。

【应用性能】
活化后的生物炭比表面积达380 m²/g，孔径分布以2-5 nm为主，其表面丰富的含氧官能团（通过FTIR证实）既可作为催化活性位点，又能通过π-π作用吸附染料分子。

该研究不仅为水葫芦治理提供“变废为宝”的解决方案，更开创了HTL衍生生物炭的双重应用模式——既作生物催化剂促进燃料生产，又当吸附剂净化污水。技术经济分析(TEA)证实其商业化可行性，每吨处理成本较传统方法降低23%，生命周期评估显示碳减排潜力达1.8吨CO₂当量/吨生物炭。正如通讯作者Yu-Shen Cheng强调的，这种“一石三鸟”策略（环境修复-能源生产-污染治理）为发展中国家应对能源与环境挑战提供了范本。