《Fuel》：Feasibility and mechanism analysis of functionalized waste biomass for fume suppression in rubber powder modified asphalt
编辑推荐：
橡胶沥青改性材料开发及烟雾减排机制研究。采用改性木粉和甘蔗炭化制备功能性生物质吸附剂，系统分析其理化特性，评估VOCs和H2S减排效果及臭氧和二次气溶胶生成潜能，发现Ca(OH)?改性木粉可降低H2S排放60.31%，550℃炭化甘蔗使VOCs减排35.53%，同时改善高温抗车辙性能。
Jianwei Zhang|Meizhu Chen|Xinglin Zhou|Dongyu Chen|Yansong Fan
中国武汉工业大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉 430070
摘要
橡胶粉改性沥青（RPMA）在生产和使用过程中会释放大量有害气体，这不仅对环境造成威胁，也对人类健康构成风险，限制了其大规模应用。为了解决这一问题，本研究旨在开发低成本、源自废弃物的生物质改性剂，这些改性剂具有功能性吸附能力，能够减少RPMA气体的排放。研究考察了两种类型的生物质：一种是用Ca(OH)2处理的木粉（作为硫化物捕获剂）；另一种是通过控制热解（温度为350–550°C）将甘蔗渣转化为生物炭的生物质。系统分析了这两种生物质的物理化学性质（包括相组成、微观结构和比表面积）。随后，评估了添加了不同生物质材料的RPMA在挥发有机化合物（VOCs）和硫化氢（H2S）方面的排放行为，以及相应的臭氧生成潜力（OFP）和二次有机气溶胶生成潜力（SOAFP）。最后，还研究了含有生物质的RPMA的流变性能。结果表明，用Ca(OH)2处理的木粉改性效果良好；而在550°C下制备的甘蔗渣生物炭具有最高的结晶度，比表面积为81.06 m2/g。在0–600秒的时间内，添加木粉、改性木粉、甘蔗渣和甘蔗渣生物炭后，RPMA中的总VOCs浓度分别降低了16.49%、18.11%、2.52%和35.53%，总H2S浓度分别降低了34.29%、60.31%、11.42%和44.44%。此外，含有生物炭的RPMA的OFP和SOAFP也分别降低了63.87%和37.5%。此外，混合使用这些生物质可以增强RPMA的高温抗车辙性能。这项工作为利用功能性废弃物生物质抑制橡胶沥青气体排放提供了一种新颖且可持续的策略，有助于环境保护和循环资源利用。
引言
汽车行业的快速发展每年产生数百万吨废旧轮胎，导致严重的生态环境和公共卫生问题[1]、[2]。幸运的是，将废旧轮胎回收制成橡胶粉（RP）用于铺设沥青路面已被证明是一种有效的资源利用方式[3]。橡胶粉改性沥青（RPMA）在提高路面的抗车辙性、抗疲劳性和抗老化性方面具有显著优势[4]、[5]、[6]。近年来，由于其循环经济潜力和性能提升潜力，RPMA在学术界和工业界受到了越来越多的关注。
然而，RPMA在应用过程中存在高气体排放的问题[7]、[8]。首先，沥青是一种对温度敏感的材料，在高温下会释放大量挥发性有机化合物（VOCs），如烷烃、烯烃和碳氢化合物衍生物[9]、[10]、[11]。由于添加了RP，RPMA进一步加剧了气体排放。在轮胎制造过程中，会加入硫化剂、增塑剂等物质以提高其强度和耐磨性，从而导致硫化橡胶产品中的硫含量显著增加。因此，当这些成分被加入到沥青中时，RPMA在加热条件下的排放物比石油沥青更为严重，包括颗粒物、VOCs、含硫物质等[12]、[13]。显然，含硫成分如苯并噻唑和H2S不仅是RPMA异味的主要来源，也是对环境和人类健康构成威胁的重要因素[14]、[15]、[16]。
为了解决这一挑战，研究人员提出了多种减排策略。基于沥青气体的释放机制，研究探索了抑制剂、温拌添加剂和阻燃剂等减排材料。一些抑制剂材料（如活性炭、沸石和层状氢氧化物）通常通过自身的孔隙或网状交联结构物理或化学地作用于气体分子，以限制气体的释放[17]、[18]、[19]。随着纳米材料的发展，金属-有机框架和碳氢基石墨烯等新型材料也开始应用于沥青VOCs的吸附和去除[20]、[21]。温拌添加剂和阻燃剂属于间接减排技术，它们通过降低混合温度或延缓沥青燃烧来减少气体排放[22]、[23]、[24]。尽管上述材料的发展有效减少了沥青气体的排放，但在实际应用中，不同材料的成本和效果存在差异。目前，寻找合适的废弃物资源来设计经济高效的减排材料已成为关键研究方向。
近年来，关于使用废弃物生物质作为吸附材料的研究逐渐增多[25]、[26]。废弃物生物质指的是工业、农业和生活中产生的有机废弃物，如农作物残余物、畜禽粪便和米糠等。幸运的是，从各种农业废弃物中制备的功能化生物炭在环境修复应用中表现出优异的性能。改性花生壳基Fe-N生物炭对废水中的有机砷具有高吸附能力，而掺杂TiO2的椰壳生物炭能有效去除受污染土壤中的重金属[27]、[28]。煅烧后的玉米秸秆也被用于水中抗生素的吸附，表明热处理生物质具有广泛的应用潜力[29]。在尾气控制领域，负载氢氧化物的木粉在高温条件下有效抑制了沥青中的CO2排放，实现了显著的减排效果[30]。此外，使用不同活化剂制备的多孔生物炭也表现出优异的CO2吸附性能[31]。这些发现突显了生物质衍生功能材料在水净化和气体污染物减排方面的广泛应用前景。然而，关于这种改性生物质用于控制RPMA气体排放的研究仍然非常有限，不同类型生物质及其改性方法对RPMA的VOCs组成、二次污染物生成潜力及流变性能的影响也尚未得到系统评估。这成为文献中的一个重要知识空白。
为了填补这一空白，本研究探讨了木粉和甘蔗渣的功能化改性对RPMA气体排放的影响，重点关注VOCs的排放行为以及H2S的针对性控制。具体而言，首先将Ca(OH)2加载到木粉中制备两种改性木粉吸附剂；然后通过在不同温度下煅烧甘蔗渣制备功能化甘蔗渣生物炭，并根据结构和形态特征确定最佳生物炭。随后，将这四种生物质添加到RPMA中，评估它们对RPMA气体排放的抑制效果，并研究了生物质材料的抑制机制。此外，还分析了不同生物质对RPMA流变性能的影响，相关研究方案如图1所示。
本研究有助于科学理解基于生物材料的VOCs减排机制，同时也涉及环境工程、可持续材料设计和绿色基础设施等更广泛的领域。研究结果为寻找经济高效的沥青生产减排方案以及农业废弃物的资源化再利用提供了实用见解。
主要材料
本研究使用70#石油沥青和60目橡胶粉（RP）制备RPMA。70#沥青（中国盘锦产）的性能等级（PG）为64–22，选择60目RP是因为其市场普及度高且成本低廉。它们的基本性能指标分别列在表1和表2中。沥青和RP的性能测试遵循中国标准JTG E20-2011和GB/T进行。
此外，还使用了两种类型的废弃物生物质
功能改性废弃生物质的特点
图5展示了两种废弃物生物质在改性前后的XRD图谱。图5(a)显示，木粉在14.5°和22.5°处有明显的衍射峰，分别对应于(101)和(002)晶面，这与木粉中高含量的纤维素有关。改性后，木粉的XRD谱线显示出更高的结晶度和更均匀的颗粒尺寸。
结论
本研究系统探讨了改性木粉和甘蔗渣生物炭作为橡胶粉改性沥青（RPMA）可持续且低成本的气体抑制剂的可能性。通过研究生物质基添加剂的减排机制及其对RPMA气体特性和流变性能的影响，填补了文献中的关键空白。研究发现，由于木粉天然的孔隙结构和多通道特性
作者贡献声明
Jianwei Zhang：撰写初稿、开展实验、提出概念。Meizhu Chen：审稿与编辑、项目管理。Xinglin Zhou：方法学研究。Dongyu Chen：概念构思。Yansong Fan：数据分析。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
国家自然科学基金（编号：52478466）
