茶废生物炭的快速卤素加热制备及其在高效太阳能热水系统中的应用研究

《Environmental Technology & Innovation》：Engineering eco-friendly biochar from tea waste: Rapid halogen heating strategies for advanced solar water heating

　　

工程化茶废环保生物炭：面向先进太阳能热水系统的快速卤素加热策略 全球人类活动的急剧增加导致固体废物大量累积，构成严峻的环境挑战。然而，在各类废物流中，生物质废物作为可再生且有价值的资源蕴藏着巨大潜力。茶叶作为全球消费量最大的饮品之一，年消费量超过600万吨（Li et al. 2026），其消费过程必然产生大量茶渣。与分散于田间、收集困难的农业残余物不同，废弃茶叶代表了一类高度集中的城市及商业废物流，使其收集与就地资源化利用具有高度可行性。因此，寻求有效、可持续且经济可行的回收与再利用途径，对废物管理与资源回收均至关重要。 传统上，大部分茶渣通过填埋和直接焚烧处置，但二者均存在显著的环境与经济弊端。填埋不仅占用土地资源，且在厌氧分解过程中长期排放填埋气体（LFG），其中甲烷（CH4）约占50–55 vol.%，为强效温室气体；直接焚烧虽可减容并回收部分热能，但需复杂过滤系统去除杂质，且每吨废物焚烧会产生数百公斤CO2当量（CO2-e）温室气体排放。更重要的是，这两种基础处置策略均未能充分利用生物质的固有价值，造成大量潜在资源浪费。 为有效利用生物质价值，研究者开发了多种热化学转化技术，主要包括高温气化和热解。然而，现有气化与热解方法常受限于设备昂贵、能耗高及工艺复杂等问题。例如，管式炉热解可获得高碳纯度与优异导电性的生物炭，但该过程能耗高、升温速率慢，且需持续惰性气体（N2）环境。水热碳化（HTC）与微波辅助热解虽可处理湿原料且能效较高，但分别面临高压反应器需求及温度分布不均、微波发生器成本高等问题。因此，亟需一种真正简化、低成本且高度可及的热解策略。 此外，近期研究表明生物炭具备优异的宽谱光吸收能力，是高效光热材料，已在界面太阳能蒸汽生成（ISSG）领域获得广泛研究。然而，此类生物炭基材料在宏观流体加热（如直接太阳能热水（SWH）系统）中的应用仍鲜有探索。平板太阳能集热器（FPSCs）因结构简单、成本效益高而广泛应用于家用场景，但其热效率常受限于太阳能吸收不足及吸收层与传热流体间的显著界面热阻。虽有多种强化策略被提出，但均不可避免地增加系统复杂性、维护成本与制造成本。因此，开发高效、低成本、环境友好的吸收材料并配合被动式界面热管理，对推进SWH技术至关重要。 针对低成本热解与宏观光热应用的双重需求，本研究提出一种高度可及的"变废为宝"系统：利用低成本商用500 W卤素灯作为局部热源直接热解茶废。与通常产生高孔隙率、热绝缘性生物炭的传统慢速热解不同，这种快速局部加热在环境条件下运行并限制孔隙的广泛发育，从而获得致密、富含缺陷的碳骨架，对宏观热传导具有独特优势。所得茶源生物炭被用作核心光吸收材料构建太阳能热水器。为克服粘合剂低导热性造成的界面热阻，研究者设计了一种新颖的被动热管理策略：将高导电银浆线条直接图案化于基底上，将生物炭涂层分割为离散区段。这种分段结构充当热桥，将生物炭局部热量快速导入下方流体系统。 该简化策略不仅规避了昂贵反应器、高压系统或惰性气体供应的需求，还成功将日常农业废弃物转化为高性能功能组件。在受控条件下，该优化结构实现了超过90%的室内光热转化效率。为验证其实际适用性，研究者在不同天气场景下开展了全面的户外现场测试。即使在动态真实环境挑战下，生物炭涂层系统仍表现出卓越的环境稳健性。值得注意的是，在严格扣除环境温度升高引起的被动加热效应后，生物炭涂层系统保持了62.3%至68.3%的显著净效率。相比之下，裸管系统在完全相同条件下仅达到42.3%至47.2%的净效率。这一严格的户外验证充分证明了该系统在可靠、真实可再生能源采集方面的巨大潜力。

茶废生物炭用于太阳能热水系统的研究解读

一、研究背景与意义

随着人类活动的急剧增加，固体废物大量累积已成为全球性环境挑战。在各类废物流中，生物质废物作为可再生资源蕴藏着巨大潜力。茶叶作为全球消费量最大的饮品之一，年消费量超过600万吨，其消费过程必然产生大量茶渣。与分散的农业残余物不同，废弃茶叶代表高度集中的城市及商业废物流，收集与资源化利用具有高度可行性。然而，传统处置方式（填埋与直接焚烧）存在显著弊端：填埋不仅占用土地，且长期排放以甲烷为主的填埋气体，并存在渗滤液污染地下水的风险；直接焚烧则需复杂过滤系统，且每吨废物产生数百公斤CO₂当量温室气体排放。更重要的是，这两种方式均未能充分利用生物质的固有价值。

为有效利用生物质，研究者开发了高温气化与热解等热化学转化技术。然而，现有方法常受设备昂贵、能耗高、工艺复杂等限制。管式炉热解虽可获得高碳纯度生物炭，但能耗高、升温慢且需连续惰性气体环境；水热碳化（HTC）需高压反应器且产物孔隙结构欠发达；微波热解虽加热快速，但存在温度分布不均、设备成本高等问题。此外，生物炭虽已被证实为高效光热材料并在界面太阳能蒸汽生成（ISSG）领域获得广泛研究，但其在宏观流体加热如直接太阳能热水（SWH）系统中的应用仍鲜有探索。传统平板太阳能集热器（FPSCs）热效率常受限于太阳能吸收不足及界面热阻，虽有多种强化策略被提出，但均增加系统复杂性、维护成本与制造成本。因此，本研究旨在开发一种简化、低成本且高度可及的热解策略，并构建高效、环保的太阳能热水系统。

二、研究内容与主要技术方法

研究人员提出了一种"变废为宝"系统：利用低成本商用500 W卤素灯作为局部热源，在环境条件下直接热解茶废制备生物炭。该快速局部加热方式限制了孔隙的广泛发育，获得致密、富含缺陷的碳骨架，有利于宏观热传导。所得茶源生物炭被用作核心光吸收材料，混合粘合剂（环氧树脂或乙基纤维素）涂覆于不锈钢流体通道上构建太阳能热水器。为克服粘合剂低导热性造成的界面热阻，研究者将高导电银浆线条图案化于基底上，将生物炭涂层分割为离散区段，形成热桥结构。主要技术方法包括：热重分析（TGA）确定热解温度；扫描电子显微镜（SEM）与能谱分析（EDS）表征形貌与元素组成；N₂吸附-脱附等温线测定比表面积与孔径分布；X射线衍射（XRD）与拉曼光谱（Raman）分析晶体结构与缺陷程度；紫外-可见-近红外分光光度计（UV-Vis-NIR）评估光学吸收性能。户外测试于台湾南部科技大学（STUST）B栋屋顶进行。

三、研究结果

3.1 废茶叶热分析及茶源生物炭制备

TGA/DTG曲线呈现典型三阶段热解特征：100 °C以下为水分蒸发，200–400 °C为主要质量损失阶段（半纤维素约250 °C分解，纤维素约350 °C剧烈热解），400 °C以上为木质素缓慢分解，600 °C时残余质量约28.6 wt.%。500 W卤素灯可在约20分钟内将反应容器加热至400 °C以上，平均升温速率约18 °C/min，60分钟即可完成碳化。10 g茶粉获得4.5 g生物炭，实际产率45 wt.%，高于TGA理论值38 wt.%，归因于体相加热效应与二次炭化反应。实测运行功率约440 W，60分钟消耗0.44 kWh，比能耗约0.098 kWh/g。

3.2 材料表征与光热机制

3.2.1 微观结构与组成：SEM显示生物炭呈不规则块状形貌，表面高度粗糙，有利于入射光多次散射增强吸收。EDS分析表明碳含量约79.9 wt.%，氧含量20.1 wt.%。BET测试显示平均孔径43.68 ?，比表面积仅1.58 m²/g，总孔容0.0016 cm³/g，证实快速加热限制了孔隙发育，形成致密结构，避免了多孔热绝缘问题。

3.2.2 晶体结构与缺陷分析：XRD显示原始茶料在2θ≈21°处呈现纤维素特征宽峰，热解后转变为无定形碳背景并在2θ≈24.5°处出现新峰，表明形成部分有序层状碳结构，但缺乏(100)衍射峰证实无长程石墨有序。拉曼光谱显示D带（约1350 cm^-1）与G带（约1580 cm^-1），I_D/I_G比值为1.34，证实缺陷丰富的sp2碳骨架。微观缺陷有利于光子捕获与热产生，宏观致密结构则提供连续固态热传导路径。

3.2.3 光学性质与太阳能吸收：原始茶叶在近红外区域吸收率骤降至约20%，而茶源生物炭在可见及早期近红外区域吸收率超过90%，即使在2600 nm延长近红外区域仍保持70%以上，证实碳化显著增强了宽带太阳能吸收能力。

3.3 SWH性能与厚度优化

3.3.1 环氧树脂基生物炭：6 mm厚涂层表面温度达71.7 °C但水温仅与1 mm涂层相近（约51.1 °C），证实厚环氧层形成热绝缘瓶颈。1 mm涂层效率61.5%，6 mm为64.3%，增量收益甚微，故确定1 mm为最优厚度。

3.3.2 EC粘合剂替代与银混合限制：以乙基纤维素（EC）粘合剂替代环氧树脂后，效率从61.5%提升至70.9%。但将银浆直接混入涂层（BC+EC+Ag）后效率降至68.8%，因银颗粒未形成连续导热网络且使涂层变灰降低光吸收，证实均匀混合策略不可行。

3.3.3 超薄涂层设计与宏观热桥：利用EC良好成膜性将涂层减薄至0.3 mm，效率提升至78.2%。在此基础上，将纯银浆图案化为2条或7条宏观条纹作为热桥。2条纹配置实现最高水温61.4 °C，效率达90.7%；7条纹配置效率降至82.2%，因银条纹占据更多基底面积形成光学死区。2条纹为光学与热学功能解耦的最优平衡。

3.4 户外测试与实际性能评估

在三种代表性天气条件下（晴朗、高度波动、持续云遮）开展10小时户外测试。晴朗条件下优化BC系统净效率68.3%（裸管42.4%）；高度波动条件下净效率66.9%（裸管46.7%）；持续云遮条件下净效率62.4%（裸管47.2%）。BC系统在云遮期间表现出优异热惯性，有效缓冲辐照波动。室内外效率差异归因于卤素灯红外成分较高及户外风致对流散热。

3.5 环境影响与碳封存潜力

传统太阳能吸收器依赖金属及真空镀膜工艺，资本支出高、能耗大。本研究的卤素灯热解比能耗（0.098 kWh/g）较传统管式炉（约0.222 kWh/g）降低一半以上。每平方米吸收器涂层需约77.25 g生物炭，可固存约61.72 g纯碳，相当于226.3 g CO₂。若MENA地区约900万平方米既有SWH系统采用该涂层，可消耗超1500吨茶废并封存约2036吨CO₂当量碳。

四、讨论与结论

本研究成功将日常茶废转化为高效、碳储存型太阳能吸收体。快速卤素驱动热解合成了兼具微观缺陷碳晶格（利于光子捕获）与宏观致密结构（减少多孔热屏障）的生物炭。关键工程突破在于解决光热涂层的传热瓶颈：系统证明均匀混合导电填料会降低光学性能，而采用0.3 mm超薄乙基纤维素基体结合局部宏观银条纹可建立高效热桥，在不牺牲宽带光吸收的前提下快速将热量导入流体系统，实现室内90%以上转化效率及户外60%以上净效率。该低成本制造策略大幅降低设备资本支出，比能耗较传统炉具减半以上，结合无真空、常压涂覆工艺，提供可持续制造替代方案并具备潜在碳封存能力。当前600 mL原型验证了生物炭涂层与宏观热桥的卓越性能，未来研究将聚焦于规模化（60 L家用容量）中的流动优化、大面积涂覆均匀性、结构保温及热桥材料与尺寸的系统优化，推动该环保能源采集技术的广泛商业化。