虾塘藻华废弃物的可持续热解转化：基于L9田口法优化生物炭制备参数及其环境应用潜力

本研究针对虾塘藻华（Spirogyra）废弃物资源化难题，通过L9田口正交实验设计优化热解温度、加热速率和停留时间等关键参数，成功制备出高得率（70.5%）与大比表面积（53.382 m2/g）的藻源生物炭。表征结果显示该生物炭富含含氧官能团和矿物质，在环境污染修复和农业可持续发展领域具有重要应用价值。

　　

虾类养殖业面临着藻华暴发的环境挑战，这些藻类大量繁殖会导致水体溶解氧耗尽并产生管理难题。传统处理方式往往将藻华视为废弃物，但其中蕴含的生物质资源未被有效利用。与此同时，全球能源需求仍高度依赖化石燃料，导致温室气体排放和资源枯竭问题日益严重。开发可再生资源转化技术已成为解决环境问题和能源危机的重要途径。在此背景下，将藻类生物质通过热解技术转化为高附加值生物炭产品，既可实现废物资源化利用，又能为环境修复和农业可持续发展提供新材料。

研究人员从印度Kendrapara地区虾塘采集Spirogyra藻类样本，经过清洗、干燥和研磨预处理后，采用管式炉在无氧条件下进行热解实验。研究团队运用L9田口正交实验设计，系统考察了温度（450-650°C）、加热速率（5-15°C/min）和停留时间（60-120 min）三个关键参数对生物炭产率和性能的影响。通过多种表征技术包括PXRD（粉末X射线衍射）、FESEM（场发射扫描电子显微镜）、EDAX（能量色散X射线光谱）、CHNS（碳氢氮硫元素分析）、Raman（拉曼光谱）、FTIR（傅里叶变换红外光谱）、BET（比表面积分析）、XPS（X射线光电子能谱）以及粒子密度和pH测量等手段，全面解析了生物炭的理化特性。

研究结果方面：

3.1. 加工条件对生物炭产率和理化性质的影响

实验发现温度是影响产率的最主要因素，随着温度从450°C升至650°C，生物炭产率从71.75%下降至63%，这是由于高温促进了挥发分的分解和热裂解反应。加热速率和停留时间对产率的影响相对较小，但适中的停留时间（90 min）有利于优化生物炭的粒子密度、BET比表面积和羰基官能团数量。

3.2. 温度的影响

高温热解（650°C）产生的生物炭具有更高的比表面积、pH值和矿物质含量，但产率较低且表面官能团减少。低温热解（450°C）则能保留更多含氧官能团，提高阳离子交换能力，但比表面积较小。

3.3. 加热速率的影响

在450°C条件下，不同加热速率（5、10、15°C/min）对应的产率分别为70.05%、69.65%和70.5%，呈现不规则变化。在550°C时，产率随加热速率增加而上升，从62.9%增至71.75%。

3.4. 原料类型的影响

藻类生物质与木质纤维素生物质在组成上存在显著差异，藻类含有更多的蛋白质、脂质和碳水化合物，而木质素含量较低。这使得藻类生物炭具有较低的碳含量、较高的氮含量、灰分和无机营养成分（P、K、Na、Ca、Mg）。

3.5. 表征分析

通过BET分析发现，550°C、10°C/min加热速率和90 min停留时间条件下制备的A2生物炭具有最高比表面积（53.382 m2/g）。PXRD显示生物炭中含有硅酸盐和碳酸盐矿物质。FESEM和EDAX表明生物炭表面存在矿物沉积和无机盐纤维结构。FTIR光谱证实生物炭表面富含羟基、羰基等含氧官能团。Raman光谱显示I_D/I_G比值在2.23-2.83之间，表明材料中存在缺陷和无序结构。XPS分析进一步证实了含氧和含氮官能团的存在。粒子密度分析显示生物炭密度范围为1.5-2.0 g/cm3，富含硅和无机成分。 proximate分析表明生物炭的挥发分、灰分和固定碳含量受热解条件显著影响。pH测量显示所有生物炭均呈碱性（8.70-9.72）。

1. 4.

   S/N分析

   田口法的信噪比分析表明，对于比表面积优化，最佳参数组合为550°C、10°C/min加热速率和90 min停留时间。对于O/C比优化，停留时间是最主要影响因素。对于H/C比优化，温度的影响最为显著。对于产率优化，450°C温度条件下获得最高产率。

2. 5.

   皮尔逊相关矩阵

   相关性分析显示温度与产率、H/C和O/C比呈负相关，与比表面积和粒子密度呈正相关。加热速率与产率、O/C比、比表面积和粒子密度负相关，与H/C比正相关。停留时间与产率、H/C和比表面积负相关，与O/C比和粒子密度正相关。

研究结论表明，通过优化热解参数，可以制备出具有不同特性的藻源生物炭。A2生物炭（550°C、10°C/min、90 min）具有高比表面积和低C/H比，适合用于重金属吸附和环境修复应用。A7生物炭（450°C、15°C/min、90 min）具有高产率和丰富的含氧官能团，适用于土壤改良和农业应用。这两种生物炭都显示出在环境污染治理、可持续农业和能源存储领域的应用潜力。

该研究的重要意义在于提供了一种将虾塘藻华废弃物转化为高附加值生物炭的可持续方法，不仅解决了藻华带来的环境问题，还为生物质资源的高值化利用提供了新途径。通过系统优化热解参数，研究人员能够精确控制生物炭的特性，满足不同应用场景的需求。这种基于田口法的优化策略为其他类型生物质的热解转化提供了可借鉴的方法学框架。研究成果发表在《Biomass and Bioenergy》期刊上，为生物质能源和材料领域的发展做出了重要贡献。