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《Journal of Cleaner Production》：Sustainable reuse of floral waste for incense stick production: Formulation optimization, emission profiling, and microstructural assessment

　　

摘要 全球范围内因宗教、文化和商业用途产生的花卉废弃物日益增多，由于处置不当，带来了严峻的环境挑战。在印度，这一问题尤为严重，城市寺庙和仪式活动产生了大量有机废弃物。本研究发现，这种可生物降解材料具有未被开发的潜力，提出了一条可持续的再利用途径，即将花卉废弃物转化为香。研究通过调整花粉、锯末、煤粉以及天然粘合剂吉伽特的比例，开发了五种不同配方的样品（见表3）。这些样品经过全面评估，包括水分含量、燃烧时间、精油吸收率、颗粒物排放（PM10和PM2.5）、灰烬pH值，以及利用场发射扫描电子显微镜（FESEM）和能量色散X射线光谱（EDS）进行的微观结构行为分析。然而，现有研究主要集中于定性可行性分析，对于填料特定微观结构如何调控固态燃烧动力学、颗粒物排放因子（EF）以及整体化学安全性等方面存在关键性知识空白。本研究弥补了这一空白，结果表明样品3（表3），由花粉和锯末组成，具有最低的颗粒物排放量，表明在测试条件下其排放潜力较低，相对燃烧清洁度较高。样品1（表3）由于花卉含量高，表现出有效的香气保持和稳定的燃烧特性。研究进行了元素分析（EDS/XRF）。虽然EDS点分析确认了主要的碳+氧组成，但更稳健的定量XRF分析揭示，煤粉中含有0.0293质量%的氧化铅（PbO），这是一种在花填料或锯末中未检测到的有毒重金属。这除了排放结果外，还从化学角度提供了建议替换煤粉的依据。对比分析显示，性能高度依赖于配方。无煤的样品3（表3）在PM10排放因子方面显著优于商业对照产品（0.97 vs. 1.22 mg/根），而样品1（表3）与之相当。然而，含煤粉配方的排放因子高于商业产品。因此，在所评估的参数范围内，样品3是替代产品的有前景的低排放选择。本研究基于清洁生产原则和循环经济理念，开发并测试了一个概念模型，将废弃材料的物理特性（如孔隙率、碳含量）与配方、燃烧性能和排放特征联系起来。具体而言，研究展示了花卉废弃物和添加剂的物理化学性质如何影响燃烧效率、排放减少以及社区采纳的潜力。未来研究应探索通风、大规模生产和用户反馈等实际因素。建议包括用更清洁的粘合剂替代煤粉、建立社区花卉废弃物收集机制以及推进中试生产。这有助于废物管理，并通过环保且富有文化意义的香产品推动循环经济发展。 引言 人们对花卉废弃物的可持续管理日益关注，引起了环境研究人员、政策制定者和生态产品开发者的极大兴趣。将这种大量有机废物流转化为环保香棒，既可以为减轻当地市政固体废物负担提供途径，又可以替代有毒的商业室内燃烧源，采用结构优化的生物质替代品。 在印度，花卉供奉是宗教、文化和仪式活动的内在组成部分，导致寺庙、节日和日常仪式产生了大量的花卉废弃物。根据Waghmode等人（2018）的研究，每年有数百万吨花卉废弃物被丢弃，对有机废物负荷贡献巨大。这些废弃物大部分被倾倒在垃圾填埋场或排入河流，导致水污染、水生毒性以及对自然分解循环的破坏（Dutta & Kumar, 2022）。尽管花卉废弃物可以生物降解，但往往含有有害的农药和杀虫剂残留，进一步加重了其环境负担（Kumar等人, 2020）。 全球花卉行业的扩展速度估计每年接近10%，增加了花卉废弃物管理的复杂性。荷兰、中国和印度等主要花卉生产国不断累积着消费后花卉残留物的存量（Xia等人, 2006）。在印度国内，泰米尔纳德邦、卡纳塔克邦、中央邦和西孟加拉邦是花卉的主要供应地。它们对花卉废弃物的贡献十分显著，尤其是在废物处置基础设施可能不足的城镇环境中。例如，在甘尼萨节期间，浦那产生了超过100吨的花卉废弃物，而仅101个浸泡点，孟买就记录了685吨的花卉废弃物，充分说明了单一活动期间问题的规模（Srivastava等人, 2023）。 花卉废弃物的组成因地区宗教习俗而异。万寿菊和莲花常见于寺庙，茉莉花见于达卡哈（穆斯林圣地），古德哈尔见于古尔德瓦拉（锡克教寺庙）。这些花卉含有木质纤维素、精油、富含氮的化合物和类黄酮，使其成为生物能源应用和环保产品开发的良好候选材料（Kumar等人, 2020）。Atal等人（2022）报告了瓦拉纳西各寺庙之间的组成差异：杜尔加昆德寺庙主要产生古德哈尔和根达，而维施瓦纳特神庙则有更多量的古拉布。在全球范围内，花卉废弃物相对于厨余垃圾的缓慢分解速率进一步加大了其可持续处置的难度。 将花卉废弃物转化为香棒代表了循环经济的一种务实且具有文化嵌入性的形式。多项研究已证明了使用干燥粉末状花卉废弃物配合吉伽特等粘合剂生产香棒的可行性。吉伽特粉是一种从木兰科树的树皮中获得的天然粘合材料，常用于帮助混合物粘合在一起。成功的试验使用了3:1和4:1的花粉与吉伽特比例，性能评估表明其根据全球统一制度（GHS）具有较低的急性毒性（Srivastava等人, 2023）。然而，许多研究仅关注可行性，对性能参数、环境指标或与商业产品的比较关注有限。这一空白凸显了超越简单可行性，在既定的产业生态学理论框架内定位花卉废弃物增值的必要性。清洁生产原则倡导预防性环境策略，将环境关切融入工艺和产品中，从源头减少废物和排放（De Nijs等人, 2023）。同时，循环经济框架提供了一个将废物流转化为增值投入的模型，从而闭合物质循环（Kumar等人, 2024）。然而，在连接宏观层面循环经济概念与微观层面材料设计方面仍存在重大研究空白。现有文献主要将花卉废弃物增值视为经验性的试错过程，缺乏一个配方特定的工程框架来直接将物理填料基质与量化的排放因子EF（以mg/根为单位）联系起来。本研究采用这些理论，为低排放产品设计构建预测模型。 尽管香棒在文化仪式中被广泛使用，但其固态燃烧通过释放细颗粒物和粗颗粒物（PM2.5和PM10）、一氧化碳（CO）以及挥发性有机化合物（VOCs），带来了关键的健康风险，严重恶化室内空气质量。虽然商业香排放的毒理学风险已被广泛记录，但现有文献缺乏一种比较性的、配方特定的工程框架，将可持续变体的物理填料基质直接与量化的排放因子（EF，以mg/根为单位）联系起来。Lin等人（2008）强调了CO的危害，它与血红蛋白的结合速度比氧气快200-300倍，减少了输送至身体组织的氧气，导致疲劳、恶心和心血管压力。Lee等人（2021）和Di Fiore等人（2023）也强调了香烟的氧化应激潜力和致癌特性。Vi?i?等人（2018）观察到燃烧后颗粒物持续积聚，尤其是在通风不良的房间中。 颗粒物（PM），特别是PM10，是空气质量的一项公认指标，也是在频繁使用香的室内环境中的主要关注点。PM10颗粒由于体积小，能够穿透呼吸系统，导致一系列健康问题，包括呼吸道炎症、心血管疾病和长期肺部并发症。尽管香的燃烧健康风险在毒理学和环境文献中已有充分记录（Lee等人, 2021; Di Fiore等人, 2023），但对基于实验花卉废弃物配方的PM10颗粒物排放的定量评估仍然有限。大多数先前研究关注的是商业产品或一般性的烟雾暴露，未涉及配方组成如何影响颗粒物排放。 细颗粒物（PM2.5）定义为空气动力学直径小于2.5微米的颗粒，由于其能深入穿透肺泡并随后进入血液，对健康风险更高。长期暴露与哮喘、慢性支气管炎、心血管疾病和其他全身性健康并发症有强烈关联。尽管现有文献已论述了香烟的一般毒性（Basith等人, 2022; Maskey等人, 2023），但仍缺乏对环保香变体——特别是源自花卉废弃物的变体——PM2.5排放因子的比较性和配方特异性分析。 香的烟雾的化学和物理性质因组成和燃烧条件而异。Lin等人（2007）发现，含金属量较高且燃烧时间较短的香棒产生的颗粒物较少。烟雾组成还受到地理和文化的影响——日本香倾向于产生固体颗粒，而台湾香则产生液态气溶胶（Chang等人, 2007）。多种低成本PM传感器如Foobot和PMS5003已被验证可用于监测香引发的空气污染（Sousan等人, 2017; Hong等人, 2021）。 为应对这些担忧，研究人员开始研究香灰的再利用。Yadav等人（2021）展示了其矿物回收潜力，包括钙、氧化铝和二氧化硅。香灰还被重新利用为低成本吸附剂，用于从废水中去除染料（Jain等人, 2020），以及作为具有改善保温性能的生物可降解复合材料的组成部分（Varuvel等人, 2022）。竹子——香棒芯的主要材料——也被评估用于堆肥，显示出pH值、EC和碳氮比的降低，从而改善了废物的稳定性（Kaple等人, 2024）。 草本dhupbattis的概念为花卉废弃物的再利用提供了一种补充方法。它们通常由牛粪、酥油、牛奶和草药制成。由于具有抗菌和芳香特性，它们可作为驱虫剂和空气净化剂使用（Lad和Palekar, 2016; Shivkanya Bhagwat等人, 2015），尽管它们倾向于产生更多烟雾，因此不太适合密闭空间。其他努力探索了从花卉废弃物中提取精油，特别是从玫瑰、茉莉和广藿香中提取，使用蒸汽蒸馏或溶剂萃取方法（G, 2013; Sulong, 2006）。 尽管研究成果不断增加，生物质增值与室内空气污染控制交叉领域仍存在关键科学空白。首先，现有研究孤立地研究花卉废弃物加工、产品美学和气溶胶排放，缺乏整合的微观结构-排放耦合框架。其次，先前工作严重依赖定性可行性试验，未评估竞争的填料基质（多孔木质纤维素生物质与致密碳质粘合剂）在标准化测试方案（如IS 5182）下如何调节内部氧扩散、流体吸收动力学和颗粒物生成速率。第三，先前文献中的局部点分析（如EDS）无法检测传统填料引入的整体性痕量污染物如重金属氧化物，使下游后燃烧风险无法量化。因此，本研究旨在通过在一个标准化实验框架内全面评估基于花卉废弃物配方的香棒的性能和环境影响来弥补这些空白。从根本上说，本研究被构想为一项旨在减少颗粒物（PM10和PM2.5）排放的生态设计挑战，认识到室内空气污染所带来的严重健康风险。次要目标包括保持可接受的燃烧持续时间（例如>120分钟）、确保良好的香气吸收，并利用低成本废物流材料，这造成了固有的设计权衡。 为正式化这一方法，本研究提出了一个可推广的概念框架（变革理论），建立了一个预测性逻辑矩阵，用于复杂有机废物流的低排放、增值产品的生态设计。其理论价值在于建立对基于花卉废弃物的香棒的配方-结构-排放根本性理解。本研究并非将生物质再利用仅仅视为一种实用的废物管理解决方案，而是解释不同原料的固有材料性质如何影响配方稳定性、香气吸收和燃烧行为。 具体而言，本研究假设原始生物质的微观结构和物理化学性质——即花卉和锯末废弃物高度多孔的管状木质纤维素基质与煤粉致密、无孔、富碳基质的差异——决定了固态燃烧动力学和氧扩散路径。通过受控配方中系统调节这些填料基质，本研究揭示了控制颗粒物（PM10和PM2.5）生成以及后燃烧残留物特征的基本机制。

最终，本研究将清洁生产和循环经济的宏观原则转化为可量化的微观工程模型。该模型将用于生成和测试具体假设。为此，本研究追求以下具体目标：
• 使用不同比例的花卉废料、粘合剂和填充材料配制香棒，包括一个两阶段的试验，其中试验 1 使用了 90% 的花粉和 10% 的 jigat 粉，随后根据性能调整为 20% 的 jigat 比例。
• 评估关键性能参数，如燃烧时间、香精油吸收率、颗粒物（PM10 和 PM2.5）排放以及灰烬 pH 值，以确定每种配方的环境和功能可行性。
• 使用场发射扫描电子显微镜（FESEM）和能量色散 X 射线光谱仪（EDS）进行表面形貌和元素组成分析。
• 在可持续性和性能方面，将新开发的花卉废料基香棒与市售替代品进行比较。

为了将本研究与先前关于花卉废料利用的增量工作（例如，Srivastava 等人，2023 年；Lad 和 Palekar，2016 年）明确区分开来，后者主要关注定性可行性试验和简单的混合配方，本研究引入了三方面的科学进步。首先，通过微观结构 - 排放耦合，本研究超越了传统的试错式产品配制，直接将定量 FESEM 显微图像分析（专门估计孔隙分数和纤维取向）与标准化的重量法排放因子（EF）测定（IS 5182）配对，以建立预测性设计框架。其次，全面的多媒体评估通过系统地关联原始生物质预处理、精油吸收动力学、室内气溶胶产生率（PM10 和 PM2.5）以及通过灰烬 pH 值评估的后燃烧环境毒性，绘制了废料基质完整生命周期的行为。最后，本研究通过整合总量定量 X 射线荧光（XRF）分析，阐明了关键的总污染途径。通过超越局部、点状 EDS 表征，该框架揭露并证明了隐藏的化学风险，例如与煤尘等传统碳质填充物相关的 0.0293 质量分数%的氧化铅的存在。综上所述，这些组合要素将活跃的研究范式从简单、未经证实的废料封装转向经过工程化设计、可验证安全的生态产品制造。

本文的结构如下：因此，第 2 节中开发的概念框架和假设基于这种材料 - 性能驱动的逻辑。第 3 节介绍方法论，第 4 节概述结果和讨论。最后，第 5 节总结关键发现并提出未来研究建议。

章节片段

概念框架与假设发展

基于清洁生产的理论原则和提出的逻辑链，本研究开发了一个概念框架（图 2）来指导实验设计。该框架认为，填充材料的选择是关键配方变量，它利用特定的材料性能来确定最终的排放特征。具体来说，花卉和锯末填充物属于木质纤维素，具有天然多孔、纤维状的微观结构（如后来在 FESEM 中所示）。

花卉废料的收集与预处理

花卉废料取自位于罗尔凯拉国立理工学院（NIT）校园内的 Mangla Mandir 寺庙。收集的废料主要由万寿菊和木槿花瓣组成，其中万寿菊最多，因为 1 月至 3 月期间寺庙供奉中频繁使用。虽然混合物包含多种花卉，但如附图（F1）所示，万寿菊和木槿的比例较高。
初始预处理涉及

结果与讨论

本节呈现了实验发现。结果是在第 2 节中开发的概念框架和假设的背景下进行讨论的。本节概述了使用花卉废料制备的香棒在配方、物理表征和性能评估方面的主要发现。参数包括水分含量、结构一致性、燃烧行为、香精油吸收率、颗粒物排放和灰烬分析，均系统地

结论

本研究通过将其转化为增值香棒，为花卉废料的可持续利用提供了一个全面的框架。通过将实证工作建立在清洁生产和正式概念模型的理论上，本研究成功验证了一个提出的变革理论：即用多孔木质纤维素填充物（锯末）替代致密碳质填充物（煤尘），从机制上导致更清洁的燃烧和显著降低的颗粒物排放。

CRediT 作者贡献声明

Aditya Kumar Yadav：验证、方法论、概念构思。Deepak Mishra：撰写 – 审阅与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证。Rakhee Das：可视化、验证、监督、项目管理、正式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能看起来会影响本论文中报告的工作。

Aditya Kumar Yadav|Deepak Mishra|Rakhee Das