农业工业废弃物衍生工程化生物炭用于碳捕获应用：吸附效率与动力学对比研究

《Bioresource Technology Reports》：Agro-industrial waste-derived engineered biochars for carbon capture application: A comparative study of adsorption efficiency and kinetics

　　

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  活化纳米生物炭的最大CO₂吸附量达到286.43 mg/g。
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  活化纳米生物炭的CO₂吸附能力几乎是活化生物炭的5倍。
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  所有吸附剂在25 °C时均观察到最大CO₂吸附量。
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  经过五次再生循环后，活化纳米生物炭仍保留了约64%的CO₂吸附量。
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  CO₂吸附过程符合粒内扩散模型和准二级动力学模型。

引言

二氧化碳（CO₂）排放是当今时代重大的环境与经济挑战。作为一种主要的温室气体，CO₂会将热量截留在大气中，从而影响气候并导致全球变暖。尽管CO₂是地球上生命所必需的自然物质，但人类活动已导致大气中CO₂含量急剧上升，加剧了全球变暖与气候变化。过量产生的CO₂扰乱了碳循环并引发一系列不利的环境影响。CO₂过量排放的主要原因是化石燃料的燃烧，用于发电、工业和交通（Forster et al., 2023; Allen et al., 2009）。工业过程也是CO₂的重要来源，约占全球CO₂排放量的8%。在水泥生产过程中，石灰石热分解为石灰时会释放CO₂。政府间气候变化专门委员会（IPCC）指出，如果不采取实质性措施，全球气温将上升超过1.5 °C。CO₂水平上升具有深远影响。地球变暖导致冰川和极地冰盖融化，从而引起海平面上升，使低洼地区和岛屿面临洪水威胁和人口流离失所。此外，咸水渗入淡水水源会影响农业、供水和生态系统。尽管海洋吸收了约25%的人为CO₂排放，但这导致了海洋酸化，损害了珊瑚礁、贝类和浮游生物等海洋生物。这些后果可能影响鱼类及其他海洋生物的整个食物链。此外，因CO₂排放增加导致的气候变化已成为生物多样性丧失的主要原因。气温升高迫使许多物种要么适应要么迁徙，往往导致栖息地退化和物种灭绝（Barbhuiya et al., 2024; Watari et al., 2022; Griffiths et al., 2023）。

为有效捕集CO₂，已开发了多种先进技术。在这些技术中，燃烧后CO₂捕集技术因适用于现有电厂基础设施的改造集成，已成为CO₂减排的重要技术（Kundu et al., 2024）。燃烧后CO₂捕集技术包括利用液体吸收剂、固体吸附剂和膜技术的CO₂吸附。CO₂吸附技术具有能耗低、再生过程简便且无副产物或污染等优点。活性炭、沸石和金属有机框架（MOF）是一些商用CO₂吸附材料，但价格昂贵。虽然沸石和MOF的吸附容量较高，但在湿度存在时其效率会大幅下降。相比之下，包括生物炭在内的生物质基材料因成本低、稳定性好且生物质资源丰富，正逐渐成为CO₂吸附的替代材料。来自农业的生物质和生物废弃物，如作物秸秆、修剪废物、果皮和牲畜废弃物，是尚未被充分开发且具有巨大潜力的来源。在印度生物质丰富的地区，特别是东北部地区，利用农业残留物生产生物能源和生物基产品不仅能减少废弃物，还能增强生物经济、推动循环经济实践，并支持向低碳增长转型（Rana and Andino, 2025; Mouctar et al., 2025）。

本研究的主要目标是生产和利用低成本工程化生物炭以实现有效的CO₂吸附。在本研究中，以甘蔗渣为原料制备了工程化生物炭，即活化生物炭和活化纳米生物炭，并将其用于CO₂吸附实验。尽管此前已有许多研究探讨了基于生物炭的CO₂吸附材料，但从同一原料出发、在相同热解条件下制备的活化生物炭与其纳米工程化产品之间的对比评估在文献中仍非常缺乏。现有的大多数报道仅聚焦于单一类别的工程化生物炭，限制了人们对纳米结构化如何影响吸附容量、气体选择性、再生稳定性和吸附动力学（相对于活化生物炭）的直接认识。本研究对它们的CO₂吸附效果进行了对比研究，以找到具有最大CO₂吸附应用潜力的最高效生物炭。通过动力学分析，更好地理解了吸附过程中涉及的速率控制机理。本研究的创新性在于：（i）对由同一农业废弃物（甘蔗渣）合成并在相同温度下热解的活化生物炭和活化纳米生物炭进行了并排对比；（ii）通过动力学分析阐明了它们不同的吸附途径的机理，据我们所知，在CO₂捕集领域，尚未有关于活化纳米生物炭的相关报道。

章节摘要

所用材料

选用大量可得且丰富的农业工业废弃物甘蔗渣作为原料，采集自位于印度阿萨姆邦特兹布尔大学附近的当地红糖加工单位。将甘蔗渣研磨成细粉，并在100 °C下烘干过夜以去除水分。随后进行筛分，取粒径小于90 μm的样品使用。氢氧化钾-KOH（Merck，纯度≥85%，片剂，分析纯级）、硫酸-H₂SO₄（Merck，纯度98%，分析纯级）和硝酸-HNO₃

材料表征

通过工业分析方法对甘蔗渣的组成进行了评估。表1列出了甘蔗渣的工业分析和元素分析结果。甘蔗渣的含水量为10.44 ± 0.27 wt%。根据Nanda等人的研究（Nanda et al., 2013），含水量低于15%的生物质被认为是热化学转化过程的理想材料。甘蔗渣的灰分含量为2.81 ± 0.14 wt%。低灰分含量使甘蔗渣成为

结论

本研究合成并详细表征了活化生物炭（ABC700和ABC800）及活化纳米生物炭（NBC700和NBC800），用于CO₂吸附应用。在纳米生物炭中，NBC700获得了最大CO₂吸附容量（286.43 mg/g），而在活化生物炭中，ABC800获得了最大CO₂吸附容量（59.14 mg/g）。NBC700的CO₂捕集能力几乎是ABC800的五倍，凸显了纳米

CRediT作者贡献声明

Neelam Bora：撰写——初稿、可视化、方法论、调查研究、形式化分析、概念构思。Nabajit Dev Choudhury：资源、调查研究。Rupam Kataki：撰写——审阅与编辑、验证、监督、项目管理。

利益冲突声明

作者声明不存在可能被视为影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

第一作者衷心感谢DST资助的"促进大学研究与科学卓越计划（PURSE）"项目[项目编号：SR/PURSE/2024/240(G)]对本工作的财务支持。作者还感谢阿萨姆科学与技术大学提供热重分析仪（TGA）设施，以及特兹布尔大学SAIC提供的其他分析设施。

Neelam Bora|Nabajit Dev Choudhury|Rupam Kataki