《Biomass and Bioenergy》：Valorization of avocado seed residues via hydrothermal carbonization to prepare adsorbents for heavy metal depollution
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•牛油果种子残渣被加工成水热炭，用于去除重金属。•水热碳化处理时间是影响吸附性能的关键参数。•铅和铜对水热炭表面的亲和力最强。•利用牛油果衍生的水热炭去除重金属属于多离子物理吸附机制。引言生物质的高值化利用是实现可持续资源利用、解决各类环境问题（如废物管理及污染问题）同时获取经济
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牛油果种子残渣被加工成水热炭，用于去除重金属。
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水热碳化处理时间是影响吸附性能的关键参数。
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铅和铜对水热炭表面的亲和力最强。
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利用牛油果衍生的水热炭去除重金属属于多离子物理吸附机制。
引言
生物质的高值化利用是实现可持续资源利用、解决各类环境问题（如废物管理及污染问题）同时获取经济收益的有效途径[1,2]。木质纤维素生物质是一种丰富、分布广泛且可再生的资源，包含多种有机物质，比如农业废弃物以及工业和城市运营产生的林业与植物废弃物[[3], [4], [5]]。因此，对其加以高值化利用不仅能解决废物管理问题，还能为多个领域提供环保且成本低廉的材料[[6], [7], [8]]。
木质纤维素材料（主要由纤维素、半纤维素和木质素组成）的特性使其可应用于多种工业领域。它们可被用来生产生物燃料、生化产品、生物聚合物以及其他高附加值产品[[9], [10], [11]]。木质纤维素生物质基产品的大规模商业化发展，有望成为迈向可持续生物经济的重要一步[12]。这些产品可通过不同的热化学工艺制备[13,14]。其中，水热碳化法是一种将木质纤维素生物质转化为高价值材料的替代方法[15,16]。该工艺需在自加压系统中对生物质进行加热处理，通常温度在180 – 300℃之间，反应介质多为水[15,17]。这一过程包括生物质的水解，随后通过一系列反应生成富含碳的固体产物——即水热炭。具体而言，木质纤维素生物质会经历脱水、脱羧、缩合、聚合等多种复杂反应，这些反应决定了水热炭的产率、化学成分、表面功能以及吸附性能[17]。这类固体材料具有异质性的表面化学结构，主要由羧基、酚基和内酯基团构成[15,16]。与其他处理生物质残渣的方法相比，这种热化学途径具有诸多优势：操作简单、处理时间短，而且即便原料含水量较高也能直接进行处理，无需像热解法那样进行干燥和预处理[17]。这些优势简化了生物质高值化利用的整体流程，降低了能耗。由木质纤维素残渣制成的水热炭因其表面化学特性，可被用作净水吸附剂，因而更适用于去除重金属离子[15,16]。迄今为止，已有不少研究通过水稻壳、松木屑、竹子、葡萄渣等残渣的水热碳化法制备出用于水质净化的吸附剂[18]。虽然已有不少基于生物质的水热炭被用于重金属污染治理，但很少有研究系统分析水热碳化条件、水热炭结构、表面性质与分离性能之间的关系。
牛油果残渣的热化学高值化利用可用来生产多种化学品和产品[[19], [20], [21], [22]]。随着全球对牛油果及其衍生产品需求的不断增长，牛油果产业在全球范围内实现了快速发展[[23], [24], [25]]。产业的扩张也带来了更多废弃物的产生，而牛油果制品生产过程中产生的大量果皮和种子给环境保护带来了挑战。据最新统计，2021年全球产生的牛油果果皮和种子总量超过了120万吨[26]。因此，制定有效的牛油果废物管理策略至关重要，这既有助于减轻环境污染，也能从循环经济的角度带来经济收益。探索利用剩余生物质的方法，对于缓解牛油果产业带来的环境影响十分重要。可以通过多种加工方式从这些生物质废料中获取高附加值产品，其中一种颇具前景的方法就是通过水热碳化法制备用于水质修复的新型吸附剂。这一方法有助于提升食用牛油果所带来的环境、经济和社会效益。
本研究聚焦于通过水热碳化法对牛油果种子进行高值化利用，尤其是将其用于制备去除重金属的材料。水体中的重金属污染会对环境和人类健康造成严重威胁。因此，需要研发出具有更好技术经济性比的吸附剂，以应对这一水质净化难题，尤其是在经济条件较为脆弱的地区。本文详细研究了通过水热碳化法处理牛油果残渣制备水热炭的工艺条件、这些水热炭的表面化学特性，以及其在单金属和多金属溶液中的重金属吸附热力学行为。选择牛油果种子作为水热炭合成的前体，是因为它们在牛油果加工废料中占比较大，且富含木质纤维素聚合物。研究结果表明，通过水热碳化法可持续利用这类生物质，不仅能为解决牛油果产业带来的废物管理问题提供有效方案，还能为水的净化和资源回收提供环保型解决方案。因此，本研究的主要贡献在于全面分析了牛油果种子生物质的水热碳化条件与其表面化学特性、在单组分和多组分溶液中的污染去除性能，以及重金属去除的机理。据笔者所知，目前尚无其他研究采用这种综合方法探讨木质纤维素生物质水热炭在重金属去除中的应用。
章节要点
牛油果基水热炭的制备
本研究选择牛油果种子生物质（Persea Americana）作为制备水热炭的原料。牛油果种子的成分中，碳的质量分数约为42.5%，氢约为5 – 7%，氧约为45 – 50%，氮低于2%，硫低于0.5%，灰分则为1 – 3%。首先将这些残渣用去离子水清洗，然后研磨并过筛。接着在不同温度（200、225和250℃）、不同处理时间（12、16和20小时）以及不同水与生物质质量比（1:1、1:1.25和
水热碳化条件对牛油果基水热炭重金属吸附性能的影响
通过田口实验设计得到的9组样品的水热炭产率见表1。总体来看，产率在44.5%到59.2%之间，这说明在水热碳化过程中，生物质中的大部分有机成分要么溶解到了水相中，要么转化为了气体产物（如一氧化碳、二氧化碳、甲烷）[15,16]。统计分析表明，提高水热碳化温度和处理时间会降低水热炭的产率，这种降低现象
结论
水热碳化法可用于对牛油果种子残渣进行高值化利用，从而得到用于重金属污染治理的水热炭。牛油果基水热炭去除水中重金属离子的吸附性能在很大程度上取决于水热碳化工艺条件，其中生物质热处理时的处理时间是需要优化的最关键参数。脱水反应和脱羧反应对决定水热炭的表面
CRediT作者贡献说明
L.E. Hernández-Hernández：研究工作、方法设计。A. Bonilla-Petriciolet：研究工作、初稿撰写、审稿与编辑工作。D.I. Mendoza-Castillo：研究工作、初稿撰写。
致谢
作者感谢#MatPoreLab——多孔材料国家实验室所提供的支持。
L.E. Hernández-Hernández|A. Bonilla-Petriciolet|D.I. Mendoza-Castillo
