污泥与浒苔共水热炭化制备高效吸附剂：响应面法优化及协同机制解析

针对市政污泥(MS)和浒苔(EP)资源化利用难题，西安交通大学团队创新性地采用共水热炭化(co-HTC)技术，通过响应面法(RSM)优化制备高性能吸附剂。研究发现MS占比(33 wt%)、温度(250 °C)和时间(120 min)的最佳组合可使水热炭产率达46.12%且吸附容量提升至30.02 mg·g?1，揭示了含O/N官能团的协同形成机制，为有机固废高值化利用提供新思路。

　　

随着城市化进程加速，市政污泥(MS)年产量持续攀升，这种含水率超80%的有机固废富含营养元素却同时含有重金属等有毒物质。传统填埋、堆肥等方式难以实现无害化与资源化的双重目标。与此同时，全球气候变化导致浒苔(EP)在富营养化水域疯狂繁殖，这种高碳低灰分的藻类废弃物亟待开发新型处置技术。面对这两大环境挑战，水热炭化(HTC)技术因其无需预干燥、能耗低的优势备受关注，但单一原料制备的水热炭存在吸附性能不足的缺陷。

西安交通大学能源与动力工程学院的研究团队创新性地将MS与EP进行共水热炭化(co-HTC)，通过响应面法系统优化工艺参数，在《Algal Research》发表了这项突破性研究成果。研究人员采用三因素三水平的Box-Behnken实验设计，考察温度(160-280 °C)、时间(30-150 min)和MS占比(0-100 wt%)的交互影响，建立产率与吸附容量的预测模型，并借助元素分析、FTIR、BET等技术表征水热炭理化特性。

材料与方法

实验采用西安污水处理厂的MS和福建海星生物科技的EP为原料，经105 °C干燥后粉碎过80目筛。通过响应面法设计17组实验，在高压反应釜中完成共HTC过程，采用亚甲基蓝吸附实验评价性能。表征手段包括元素分析仪测定C/H/N含量，傅里叶红外光谱(FTIR)分析官能团，比表面积分析仪测定孔隙结构。

结果与讨论

工艺参数影响

响应面分析表明各因素对产率的影响顺序为MS占比>温度>时间。当MS占比从0增至100 wt%时，产率由38.21%升至53.67%，这归因于MS中无机成分的骨架作用。温度升高促进脱水脱羧反应，导致产率下降但芳香化程度提高，250 °C时吸附容量达峰值30.02 mg·g^?1。反应时间超过120 min后对性能改善有限。

水热炭特性演变

燃料比(FC/VM)从原料的0.23-0.54显著提升，表明芳香环缩合程度增强。FTIR显示含O(羟基、羧基)和含N(酰胺)官能团相对丰度改变，EP的蛋白质与MS的脂质协同形成新官能团。比表面积分析证实高温有利于微孔发育，250 °C产物的孔径集中分布在2-5 nm，为吸附提供理想场所。

优化与验证

通过回归模型确定最优条件为250 °C、120 min、33 wt% MS占比，预测值与实验值偏差<5%。该条件下制备的水热炭对Cd(II)和Cr(VI)的吸附量分别达28.7 mg·g^?1和25.3 mg·g^?1，显著优于单一原料产物。

结论与意义

该研究首次阐明MS与EP共HTC过程中的官能团协同机制，开发出兼具高产量和优异吸附性能的水热炭制备工艺。Vadim Anatolievich Yakovlev教授指出，这种"以废治废"策略不仅解决了两类环境废弃物的处置难题，更创造出可用于重金属废水处理的高值材料。研究成果获得国家重点研发计划(2021YFE0104900)和国家自然科学基金(22078258)的支持，相关技术已申请专利，为有机固废资源化提供了可产业化的技术方案。