小球藻与油菜秸秆水热共转化联产碳点、生物燃料、生物吸附剂与生物营养素的研究

为解决微藻与农业秸秆资源化利用问题，研究人员开展了小球藻（CP）与油菜秸秆（OS）水热共转化研究，成功实现了碳点（CDs）、生物油（OR）、水热炭（HC）、水相产物（AQ）和挥发性产物（VO）的多联产。结果表明，CP水热过程CDs产率最高（16.3%），OS水热过程HC产率最高（26.3%），CP/OS共处理通过碳化、脱羧和脱水反应促进了HC和VO的生成。所得CDs具有蓝色荧光和3.3–11.1%的量子产率，HC和OR的HHV分别达23.0–27.8 MJ kg?1和25.5–38.5 MJ kg?1，HC对亚甲基蓝（MB）吸附容量高达275.6 mg g?1，AQ可作为微藻培养的营养源。该研究为生物质高值化利用提供了新策略。

　　

随着能源短缺和环境污染问题日益突出，生物质作为一种可再生资源，其高效转化与高值化利用受到广泛关注。微藻和农业秸秆是两类典型的生物质资源，前者生长速度快、固碳能力强，后者产量大、来源广泛，但传统处理方式（如焚烧或简单堆肥）不仅造成资源浪费，还带来环境污染。如何实现这些生物质的清洁转化与多联产，成为当前研究的热点。

水热转化技术因其原料适应性强、无需干燥、反应条件相对温和等优势，被广泛应用于生物质能源与材料制备。近年来，不同生物质之间的共水热处理被证明可通过协同效应提高产物得率和品质，例如促进炭化反应、改善燃料特性等。然而，关于共水热过程中碳点（Carbon Dots, CDs）的生成行为及其与其他产物（如生物油、水热炭、水相产物）的协同生产机制，尚缺乏系统研究。此外，如何实现水热产物的全组分资源化利用（如作为光催化剂、生物燃料、吸附剂和微生物营养源）也是当前研究的难点。

针对以上问题，重庆大学的研究团队在《Biochar》期刊上发表了一项研究，他们以蛋白丰富的小球藻（Chlorella pyrenoidosa, CP）和木质纤维素含量高的油菜秸秆（oilseed rape straw, OS）为原料，在230°C下进行6小时水热反应，系统研究了单一及共水热条件下CDs、生物油（OR）、水热炭（HC）、水相产物（AQ）及挥发性产物（VO）的产率与特性，并评价了这些产物在光催化、燃料、吸附和微生物培养等方面的应用潜力。

研究采用水热反应釜在230°C下处理CP、OS及CP/OS混合物，通过离心、超滤、溶剂萃取等方法分离出CDs、HC、OR、AQ和VO等组分，并利用元素分析、FT-IR、SEM、TEM、UV-Vis光谱、荧光光谱等技术对产物进行表征；评估了CDs对亚甲基蓝（MB）的光降解能力及HC对MB的吸附性能；通过稀释AQ产物培养Chlorella vulgaris，分析其作为微生物营养源的可行性。

3.1 水热产物分布

CP水热过程CDs产率最高（16.3%），OS水热过程HC产率最高（26.3%）。CP/OS共处理促进了碳化、脱羧和脱水反应，提高了HC和VO产率，降低了AQ产率，表现出协同效应。

3.2 元素组成

CP的HHV为19.5 MJ kg^?1，高于OS的17.9 MJ kg^?1。CD-CP/OS的氮含量（7.0%）高于CD-CP和CD-OS的平均值，表明共水热促进了氮掺杂。OR-CP的HHV最高（38.5 MJ kg^?1），HC-CP/OS的HHV（27.8 MJ kg^?1）高于CP和OS单独处理。

3.3 FTIR

CDs含有丰富的O-H、N-H、C=O等官能团；OR-CP缺乏O-H峰，表明其富含含氮杂环化合物；HC-CP官能团较少，表明CP降解更彻底。

3.4 微观结构

CD-CP尺寸为13.5–26.5 nm，CD-OS为1.5–3.7 nm，CD-CP/OS为1.6–5.5 nm。HC-CP呈多孔结构，HC-OS仍保留部分原料形态。

3.5 光学性质

CDs在紫外区有强吸收，发射蓝光，CD-CP、CD-OS和CD-CP/OS的量子产率分别为11.1%、3.3%和9.4%。

3.6 亚甲基蓝的降解与吸附

CD-CP对MB的光降解率最高（42.3%），HC-OS对MB的吸附容量达275.6 mg g^?1，表现出优良的吸附性能。

3.7 微藻培养

AQ-CP培养Chlorella vulgaris的生物量最高（1.1 g L^?1），而AQ-OS因pH过低（约4.4）几乎不支持微藻生长。

该研究通过水热共转化实现了CP和OS的多联产，CDs、OR、HC和AQ分别可作为光催化剂、生物燃料、吸附剂和微生物营养源。CP水热更适合生产CDs和液体燃料，OS水热更适于制备生物吸附剂，而CP/OS共水热在固体燃料生产方面表现优异。研究为生物质资源的高值化利用提供了新思路，但仍需进一步探究CP与OS在水热过程中的相互作用机制及产物性能的优化途径。