有机溶剂辅助水热碳化处理熟米饭揭示水热炭化学结构演变机制及其吸附性能调控

研究人员针对水热碳化(HTC)过程中反应介质对水热炭性质的影响机制这一关键科学问题，通过选用水、氯苯、二甲苯等七种溶剂在200℃下处理熟米饭，系统研究了溶剂极性对水热炭产率、热稳定性、含氮量及吸附性能的调控作用。研究发现非极性溶剂通过限制糖类中间体扩散促进交联聚合，使水热炭产率提高至51.5%；而氯苯胺通过美拉德反应引入C=N结构，显著提升N含量(6.0%)。该研究为定向调控水热炭性能提供了新思路。

　　

在全球粮食浪费问题日益严峻的背景下，如何处理富含淀粉的厨余垃圾成为环境科学领域的重要课题。熟米饭作为亚洲地区典型的厨余垃圾，其高含水量特性使得传统焚烧处理效率低下。水热碳化(HTC)技术因其可直接处理湿生物质的特点备受关注，但反应介质如何影响水热炭形成机制这一关键问题尚未阐明。现有研究表明，水作为常规反应介质虽能溶解糖类中间体，但可能因过度稀释而抑制后续聚合反应。那么，改用不同极性的有机溶剂会产生什么意想不到的效果？这成为破解水热炭性能调控密码的重要突破口。

来自山东的研究团队在《Waste Management》发表的研究成果给出了系统解答。研究人员设计了一组精妙的对比实验：以熟米饭为原料，在200℃条件下分别采用水、氯苯、二甲苯、愈创木酚、乙二醇、氯苯胺和苯胺七种溶剂进行10小时水热反应。通过产率计算、元素分析、热重分析和吸附实验等技术手段，全面解析了溶剂性质与水热炭性能的构效关系。

在"产物收率"部分，数据清晰地展示了溶剂极性的决定性作用。与水的41.5%产率相比，非极性的二甲苯和氯苯分别将产率提升至46.8%和51.5%。这种现象被归因于"微反应器"效应——非极性溶剂中形成的微小水液滴成为浓缩糖类中间体的纳米反应器，极大促进了分子间碰撞和交联聚合。而极性溶剂愈创木酚和乙二醇则因过度溶解中间体导致产率骤降至11%左右，验证了局部浓度对聚合反应的关键影响。

关于"水热炭特性"的深入分析揭示了更丰富的调控机制。XPS和FTIR结果显示，氯苯胺溶剂中的水热炭氮含量高达6.0%，远高于其他样品。这源于氯苯胺与糖类中间体发生的美拉德反应，以C=O基团为代价形成了大量C=N结构。有趣的是，强碱性的苯胺虽然导致有机物裂解，却未能有效促进脱氧过程。热重分析则证实，非极性溶剂制备的水热炭具有更高的热稳定性，其高热值特性使其在燃料应用方面潜力巨大。

在"吸附性能"评估中，愈创木酚体系制备的水热炭对亚甲基蓝的去除率达到63.2%，显著优于对Cr(VI)的吸附效果。这种选择性吸附行为源于两种污染物截然不同的作用机制：亚甲基蓝主要通过π-π堆积作用与芳香结构结合，而Cr(VI)的吸附则依赖于表面含氧官能团的配位作用。这一发现为针对性设计功能吸附材料提供了重要参考。

该研究的创新价值主要体现在三个方面：首次系统阐明了有机溶剂在水热碳化中的双重角色——既是反应介质又参与化学转化；建立了溶剂极性-中间体行为-水热炭性能的定量关系模型；开发了通过溶剂选择调控水热炭氮含量的新方法。这些认识不仅深化了对HTC过程机理的理解，更为精准设计具有特定功能的水热炭材料提供了理论依据。未来研究可进一步探索溶剂复配策略，或结合催化剂使用，有望实现水热炭性能的按需定制，推动厨余垃圾资源化利用技术向更高水平发展。