从棕榈壳中脱矿辅助制备多孔碳：在温和条件下增强孔道可及性以实现可持续应用

《Chemosphere》：Demineralization-assisted porous carbon production from palm oil shell: Enhancing pore accessibility under low-severity conditions for sustainable applications

　　

# 摘要

生物基多孔碳因其高比表面积和吸附性能而被广泛研究。然而，其生产过程通常由强效化学造孔工艺主导，这些工艺以牺牲工艺复杂度、化学品消耗和环境可持续性为代价来追求最大孔隙率。在此背景下，本研究挑战了传统的以造孔为核心的方法，证明HCl处理主要充当选择性脱矿和疏通孔隙的助剂，将主导机制从孔隙生成转向孔隙可达性。本研究通过碳化（300–500 °C，2–4 h）后HCl处理，将棕榈果壳转化为多孔碳。结果表明，提高温度可增强碳含量、结构稳定性和能量性质，而脱矿处理则显著改善了孔隙可达性和表面暴露程度。所得材料表现出中等的比表面积（最高达139 m2/g），表明无需高强度化学工艺即可实现功能性性能。本研究提出了一个"工艺—结构—性能"框架，将碳化条件、结构演化和材料性能联系起来。研究结果强调了木质素衍生碳骨架在定义孔隙结构中的主导作用，而矿物去除则控制着可达性。这些结果表明，生物基多孔碳的开发并不一定依赖于强效化学处理，而是可以通过在低烈度条件下实现以可达性为驱动的设计来达成，从而在循环经济背景下实现更具可扩展性、资源效率更高和更可持续的碳材料。

# 引言

棕榈油产业是许多热带经济体的基石，特别是在东南亚地区，该产业在农业生产力和出口收入创造方面发挥着至关重要的作用。然而，该行业的快速扩张也引发了重大的环境关切，主要涉及其丰富的固体和液体生物残渣的处置与管理（Sugiyono等，2025），如棕榈油厂废水（Yusnitati等，2025）、空果串（Arfiana等，2019）、纤维、果壳、叶片（Hidayat等，2025）和老树干（Hasanah等，2025）。这些残渣的低效管理导致温室气体排放增加并加剧了可持续性挑战（Hamdani等，2023；Soemanto等，2025；Thomas和Andres，2021；Wan Ahmad等，2017）。因此，应对这些环境影响对于促进更加可持续和更具韧性的棕榈油产业至关重要。

油棕废物是棕榈油加工的主要副产品，占油提取过程中产生的总废物量的80%（Aktawan等，2020；Utarina等，2022）。然而，在许多情况下，这些残渣未被充分利用，导致环境污染和低效的土地利用（Jelita等，2022）。关键挑战在于将这些残渣从废物转化为增值资源，这一概念日益得到研究支持，突显了其多元化的工业应用潜力（Abu Bakar等，2025；Pordesari等，2016；Radyantho等，2023；Sumbogo Murti等，2020）。

缓解棕榈油废物环境负担的一个切实可行的解决方案是通过热化学过程（如加氢裂解（Nuramalia等，2024）、热解（Mansur等，2024）和气化（Andini等，2025；Poonanan等，2021；Supriatna等，2023，2025））将固体残渣转化为生物燃料或生物炭。在这些方法中，热解已成为将生物质转化为能源载体或其他增值产品的高效方法（Jelita等，2022；Mansur等，2024，2025；Utarina等，2022）。利用固体废物作为可再生能源可以减少对化石燃料的依赖并抑制温室气体排放，从而支持能源可持续性目标（Achoja等，2019；Thomas和Andres，2021）。此外，利用这些残渣生产生物炭也被提议作为一种改善土壤质量和固碳的手段（Arfiana等，2021；Sumbogo Murti等，2020），有助于减缓气候变化（Suryanti等，2023；Taisa等，2019）。

先进的碳基材料因其在航空航天工程、能源系统和环境技术中的多样化作用而备受关注（Basheer，2020；Prasad等，2021）。对可持续且低成本材料日益增长的需求使生物基碳成为一种有前途的替代品，将先进的功能性与可再生、环保资源相结合。生物基多孔碳，尤其是具有高价值多孔结构的材料，被广泛应用于环境修复、水净化、农业改良和储能领域（Agustina等，2009；Finalis等，2021；S. Ho和Khan，2020）。其优异的物理化学性质，如高比表面积、可调控孔隙率和强吸附能力，使其在从水和空气中去除有机和无机污染物方面特别有效（Baby和Hussein，2020；Yek等，2017）。

利用油棕废物，特别是棕榈果壳（POS），作为多孔碳生产的原料，提供了一种在棕榈油行业推进循环经济的可持续途径。物理和化学方法已成功生产出与商业产品性能相当的多孔碳（Allwar等，2020；Boontham等，2020；Nasri等，2015）。

近期进展集中在整合化学和物理造孔过程以提高效率并减少环境影响。传统的生物基碳孔隙发展通常使用KOH、NaOH和ZnCl?等化学试剂，或通过蒸汽或CO?的物理过程实现，两者均通过碳基质蚀刻或气化促进孔隙率（Cansado等，2022；Güng?r等，2025；J. Jiang和Sun，2017）。除这些传统造孔剂外，HCl也被越来越多地用于多孔碳生产，主要作为预处理剂去除无机杂质并改善所得碳材料的性能（Ji等，2021）。在POS增值的背景下，这种化学处理可以加强生物质废物向增值多孔碳材料的转化。这一增值途径不仅提高了生物质废物的经济价值，还支持了综合废物管理和减排工作（Nashrulloh等，2020；Raksodewanto等，2024）。因此，规模化POS基多孔碳的生产可以促进行业的可持续目标，同时满足全球对高性能碳材料日益增长的需求（Adeleke等，2017；Budianta和Gozan，2022）。

在此过程中，HCl在不同生产阶段发挥着多方面的作用，包括预处理、造孔和后处理。其应用已被广泛认可能够增强多孔碳的物理化学性质，从而提高其在吸附、催化和储能应用中的性能。然而，HCl处理的有效性强烈依赖于生物质前驱体和应用工艺参数。如表1所述，HCl通过不同机制有助于改善多孔碳性能。例如，大蒜皮基多孔碳经HCl预处理后显示出高比表面积和增强的中孔含量（Ji等，2021）。同样，HCl预处理废旧轮胎炭提高了产品收率、降低了灰分含量并促进了中孔结构的形成（Chan等，2011）。

在后处理或酸洗过程中，HCl通常用于去除残留的造孔剂和灰分、中和pH值并进一步净化碳表面。对于污泥基多孔碳，5 M HCl后处理显著改善了亚甲基蓝的去除率，表明吸附能力增强（Al Madhoon等，2024）。同样，使用5% HCl在60°C下处理3小时对无烟煤进行酸洗增加了微孔发展并可能增强含氧官能团，从而提高甲烷吸附性能（Liu等，2022）。

尽管对生物基多孔碳进行了广泛研究，但孔隙发展在很大程度上仍由以造孔为核心的范式主导，该范式使用KOH或ZnCl?等强效化学试剂通过剧烈的碳基质蚀刻来生成孔隙。虽然这种方法在实现高比表面积方面有效，但它本质上增加了工艺复杂度、化学品消耗和环境负担。相比之下，本研究挑战了这一主导范式，证明HCl处理通过根本不同的机制运行，作为选择性脱矿和疏通孔隙的助剂而非直接的造孔剂。这一区分将重点从孔隙生成转向孔隙可达性，其中固有的生物质结构，特别是木质素衍生碳骨架，在塑造所得多孔结构中起决定性作用。通过将该机制嵌入"工艺—结构—性能"框架中，本研究建立了一条在低烈度条件下设计碳材料的新概念路径。提出的方法不追求最大比表面积，而是优先考虑结构保持、可控脱挥发和矿物去除，从而实现 inherently 更具可扩展性、资源效率更高和环境更可持续的碳材料。

为统一这些见解，本研究提出了一个概念框架（图1），系统性地关联加工条件、结构演化和功能性能。碳化控制木质纤维素生物质向稳定碳基质的转化，而后续的HCl处理通过靶向矿物去除和表面改性增强孔隙可达性。这些耦合过程定义了关键结构属性，如比表面积、孔隙结构和形貌，最终决定功能性能，包括吸附潜力和能量含量。总之，本研究重新定义了化学处理在生物质碳化中的角色，并引入了一个替代设计范式，在该范式中性能由可达性和结构完整性而非极端的结构发展所决定，从而为源自棕榈油残渣的可扩展和可持续碳材料开辟了新机遇。

# 分节片段

## 材料

在本研究中，多孔碳由从印度尼西亚万丹省PTPN VIII Malingping收集的棕榈果壳（POS）生产而成。其他材料包括来自Merck的37% HCl和来自内部水处理系统的去离子水。

## 多孔碳的合成

首先将POS与其他固体杂质分离并日晒干燥以降低其水分含量，然后进行碳化以生产生物炭。碳化在300、400和500°C下分别进行2、3和4小时，在有限氧气条件下进行。这些温度水平……

## 碳化材料

图2展示了生物炭在粉碎和筛分前后的整体外观。通过碳化生产的颗粒状生物炭呈现出均匀的深黑色，表明碳化有效。POS生物炭的收率根据生物炭质量与原料质量的比值计算得出（Rashidi和Yusup，2017）。

碳化温度和停留时间对POS生物炭收率的影响如图3和图4所示。总体而言，一……

## 局限性与未来方向

本研究有几个需要承认的局限性。结构演化的解释基于来自工业分析和元素分析的间接证据，未经XRD或拉曼光谱等技术的直接确认。同样，表面功能性的讨论基于文献中已建立的趋势，而非直接的光谱表征。然而，HCl处理的主要作用可以可靠地归因于矿物去除和孔隙……

## 结论

本研究证明，从棕榈果壳开发多孔碳并不一定需要强效化学造孔处理即可实现功能性性能。相反，结果表明选择性使用HCl进行脱矿主要增强孔隙可达性，而固有的生物质结构，特别是木质素衍生碳骨架，控制着多孔网络的演化。

通过建立"工艺—结构—性能"关系，本研究……

## CRediT作者贡献声明

Arfiana：写作—审阅与编辑，写作—原稿，监督，方法论，调查研究，形式分析，概念化。Era Restu Finalis：写作—审阅与编辑，方法论，调查研究，形式分析。Ilhamsyah Noor：验证，方法论，调查研究，形式分析。Fausiah：方法论，调查研究，形式分析。Ade Andini：写作—审阅与编辑，方法论，调查研究，形式分析。Endro Wahju Tjahjono：调查研究，形式分析。

## 伦理声明

本研究不涉及人类参与者、动物实验或个人数据。所有实验程序均使用生物质废物材料（棕榈果壳）进行，并符合相关的机构、国家和国际准则。作者确认研究是以对环境负责的方式开展的，对化学试剂和副产品的处理和处置给予了仔细考虑。未进行任何危险程序。

## 数据可获取性声明

支持本研究结果的数据可在文章中找到。

## 生成式AI使用声明

在准备本手稿期间，作者仅使用ChatGPT进行语言改进，包括可读性和清晰度，并使用Scite AI辅助识别相关参考文献。

所有输出内容均经过作者的严格审阅和修订，作者对本手稿的最终内容承担全部责任。

资助

本研究由印度尼西亚国家研究与创新局（BRIN）的OREM Rumah计划在2023财年资助。

利益冲突声明

作者声明他们不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文所报告的工作。

致谢

作者感谢印度尼西亚国家研究与创新局（BRIN）为本研究提供资金支持。

Arfiana | Era Restu Finalis | Ilhamsyah Noor | Fausiah | Ade Andini | Endro Wahju Tjahjono | Erbert Ferdy Destian | Dorit Bayu Islam Nuswantoro | Herson Bangun | Bagus Alif Firmandoko | Muhammad Dikdik Gumelar | Dita Adi Saputra | Aminuddin

印度尼西亚国家研究与创新局工艺技术中心，KST BJ Habibie，PUSPIPTEK，南唐格朗，15314，印度尼西亚