甘蔗渣衍生成型碳吸附剂的创新制备与多场景应用性能评估

本研究针对农业废弃物资源化利用需求，创新开发甘蔗渣衍生成型碳吸附剂（SC-B），通过系统表征其物理机械性能（BPH硬度达99%）和吸附特性（BET比表面积390 m2/g），并与商用活性炭Norit? ROW和HOK?进行对比。研究发现SC-B在CO2/CH4分离（选择性系数8.45）和压力循环稳定性（0.1-3.0 MPa）方面表现优异，为生物质基吸附剂的工业应用提供新思路。

　　

在全球甘蔗年产量超15亿吨的背景下，甘蔗渣作为主要副产物（占甘蔗重量35-40%）长期面临处理难题。传统焚烧或填埋方式不仅造成环境污染，更浪费了这种富含纤维素的可再生资源。虽然已有研究将甘蔗渣制成粉末状活性炭用于水处理，但粉末形态在工业固定床吸附塔中易导致压损高、回收困难等问题。针对这一现状，TU Bergakademie Freiberg的Katrin Markuske团队创新开发了甘蔗渣成型碳（SC-B）的集成制备工艺，通过"预处理-造粒-热解"三步法取代传统化学活化路线，相关成果发表在《Carbon Trends》上。

研究采用多尺度表征技术：通过SEM-EDS分析表面形貌和元素组成，BET法测定比表面积，GCMC模拟计算孔径分布，MIP检测大孔结构；应用磁悬浮天平（MSB）完成0.1-5 MPa高压吸附实验，结合穿透曲线和碘值/MB值测试评估气液两相吸附性能。

【材料特性】

SC-B呈现独特的圆柱形颗粒结构（直径4.8 mm），SEM显示其保留植物纤维的平行沟槽特征。相比商用活性炭，其灰分含量较高（16.7 wt%），但球盘硬度达99%，真密度2.027 g/cm³。BET比表面积389 m²/g，微孔体积占比85%，平均孔径1.86 nm，呈现以微孔为主的层级结构。

【吸附性能】

气体吸附方面：SC-B对CO₂的Langmuir吸附量3.62 mmol/g，CO₂/CH₄选择性系数2.81，在20次压力循环（0.1-3.0 MPa）中保持稳定性（CV<0.5%）。液相吸附方面：原颗粒的碘值仅30.1 mg/g，但研磨后升至252.4 mg/g，说明其微孔入口存在扩散限制。MB吸附实验显示其介孔发育不足（MB值2.9 mg/g），适合小分子捕获。

【工业适配性】

穿透实验表明SC-B对丙酮蒸气的吸附容量介于Norit与HOK之间。动力学分析显示CO₂吸附达90%负载需10.3分钟，符合工业PSA系统要求。值得注意的是，其生物质基淀粉粘结剂和单步热解工艺使生产成本显著低于传统活性炭。

该研究首次系统评估了非活化甘蔗渣成型碳的多场景应用潜力。虽然其吸附性能不及高端商用活性炭，但优异的机械强度（BPH 99%）和压力循环稳定性，结合农业废弃物的可再生属性，使其在沼气提纯（CO₂/CH₄分离）和低压气体净化领域具有独特优势。作者指出通过化学活化或调整热解参数可进一步优化介孔率，这种"形状可控-工艺简化-性能可调"的制备策略为生物质碳材料的工业化应用开辟了新途径。