综述：木质纤维素基水热炭：合成、表征及其在水体净化中的应用

这篇综述系统阐述了木质纤维素基水热炭（HTC）的合成工艺（温度、时间、生物质/水比β）、表征技术（FTIR/XPS/EPR）及其在水体净化中的双重应用——通过富氧官能团（OFGs）吸附重金属/有机污染物，以及基于持久性自由基（PFRs）的光催化/过硫酸盐活化（PMS/PDS）高级氧化过程（AOPs），为农业废弃物资源化提供绿色解决方案。

　　

木质纤维素生物质与 hydrothermal carbonization (HTC) 工艺
作为可再生资源，木质纤维素生物质（农业废弃物、林业残渣等）主要由纤维素、半纤维素和木质素构成。HTC在150–250°C和自生压力（2–6 MPa）条件下，以水为反应介质，通过水解、脱水、芳构化等反应将生物质转化为水热炭（hydrochar），同时产生生物油和气体副产物。温度是关键变量：180–200°C主要分解半纤维素，≥220°C才能有效转化纤维素，而木质素需更高温度。

水热炭的合成机制与特性调控
水热炭的形成遵循"固-固"（初级炭PC）和"液-固"（次级炭SC）双重路径。PC保留生物质原始形态，而SC以微球形式附着，源自单糖和呋喃类化合物的聚合。通过调节温度（如200°C提升羧基含量）、反应时间（延长增加比表面积）和β值（0.1–0.5优化水解效率），可定向调控hydrochar的氧碳比（O/C）和孔隙结构。例如，咖啡壳在180°C/6h/β=0.12条件下制得的水热炭对亚甲基蓝吸附量达34.85 mg/g。

表征技术揭示的关键性质

• 表面化学：FTIR显示羟基（3200–3700 cm^?1）、羧基（1720 cm^?1）和酚基（1200 cm^?1）的存在，Boehm滴定定量酸性位点（羧基>酚基>内酯基）。
• 自由基特性：EPR检测到g因子>2.0040的氧中心PFRs，在可见光下可生成·OH和O₂^•?。
• 结构特征：Raman光谱中I_D/I_G比值（1.2–1.8）反映sp²/sp³杂化程度，XPS证实C=O（531 eV）和C-O（533 eV）键占比影响催化活性。

水体净化应用的双重路径
吸附领域：
化学活化（如KOH处理）可使玉米秸秆水热炭的Cd²⁺吸附量提升3倍（30.4→120 mg/g），机理涉及离子交换和表面络合。橄榄渣水热炭对双氯芬酸（11 mg/g）的吸附则依赖π-π作用和氢键。

高级氧化工艺：

• 光催化：松木水热炭/PMS体系通过PFRs激活产生SO₄^•?，60分钟内降解四环素效率达92%。
• 复合材料增效：葡萄糖水热炭与TiO₂构建II型异质结，可见光下Cr(VI)还原率提升至100%，归因于电子迁移抑制复合。

挑战与展望
当前研究需突破实际水体复杂组分干扰（如Cl^?/SO₄^2?竞争吸附）、规模化生产能耗优化（连续式反应器开发）以及生命周期评估（LCA）。将HTC与生物精炼整合，同步产出高值化学品，有望提升经济可行性。