庆大霉素发酵残渣的热解行为：产物分布、动力学与氮转化——抗生素废物的可持续资源化利用

《Sustainability》：Pyrolysis Behavior of Gentamicin Fermentation Residue: Product Distribution, Kinetics, and Nitrogen Transformation for Sustainable Antibiotic Waste Valorization

　　

摘要

抗生素发酵残渣的可持续管理对于减轻制药废弃物相关的环境和公共健康风险至关重要。庆大霉素发酵残渣（GFR）是一种富含氮和有机物的难以处理的抗生素副产品，既存在环境风险，又蕴含尚未开发的资源潜力。热解可将GFR转化为高附加值产品（热解油、气和炭），并通过高温处理消除环境风险。本研究在不同温度（400–800 °C）下探讨了产品收率、热解动力学及氮转化路径，以探究GFR的热解行为与机理。结果表明，温度对产品分布具有显著影响：低温下生物炭收率占主导地位，400 °C时收率为51.2 ± 0.4%；油收率在600 °C达到峰值，为14.6 ± 0.4%；700 °C以上气态产品占主导，按质量平衡差值计算，800 °C时气相收率估计达78.4 ± 0.2%。此外，等转化率动力学分析（FWO和KAS法）在α = 0.5–0.8范围内得到表观活化能为226.9–249.4 kJ/mol，R²值为0.946–0.976，表明存在转化率依赖性的多步脱挥发分行为。在氮转化方面，元素分析和光谱分析表明，氮从原始GFR中不稳定的吡咯型转变为生物炭中更稳定的吡啶型和石墨型，增强了其在催化和环境应用方面的潜力。同时，NH₃和HCN等气态氮物种在不同温度阶段释放，并提出了三阶段氮转化机理，将分解动力学与氮迁移路径联系起来。这些发现凸显了热解作为一种有前景、可控且可持续的方法，可将抗生素残渣转化为有价值的能源产品和功能材料，其对可持续制药废物管理的贡献有赖于对NH₃/HCN气体的妥善处理。