庄闲和游戏-生物质废弃物资源化利用：水热碳化和化学活化法制备活性炭 MDPI Biomass

更新时间：2026-05-25

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　　庄闲和游戏(中国)股份有限公司-官网日益严重的废物堆积是现代社会面临的最紧迫的全球性挑战之一，传统的废物管理方法，往往会释放温室气体和有毒污染物，从而加剧环境问题，凸显了开发可持续创新解决方案的迫切需求。将生物质废弃物转化为功能材料符合循环经济原则，通过最大限度地减少废弃物和最大限度地利用可再生资源，促进资源效率和可持续发展。

　　水热碳化（HTC）已成为一种很有前景的生物质增值预处理工艺。目前关于活性炭生产的研究强调了使用氢氧化钾（KOH）和磷酸（H3PO4）等试剂进行化学活化的有效性。研究表明，水热碳化（HTC）具有提升水炭性能的潜力，但HTC处理生物质的活化条件优化仍未得到充分研究，尤其是在孔隙率、产率和工业应用性之间的权衡方面。

　　本研究旨在填补这一空白，通过研究使用KOH和H3PO4对HTC处理的水炭进行化学活化，以制备高性能活性炭。

　　采用2因子设计分析水热炭的化学活化，系统地评估了三个变量：活化剂与前驱体比（g/g）、干浸渍时间和活化时间，每个变量均设置两个水平（低：“”，高：“+”）。该设计（详见表1）能够评估各变量及其交互作用对质量产率（MY）和碘吸附容量的影响，这对于优化活性炭性能至关重要。选择氢氧化钾（KOH）和磷酸（H3PO4）两种活化剂，是因为它们具有互补的性质和工业应用价值。

　　使用氢氧化钾 (KOH) 和磷酸 (H3PO4) 对水热炭进行化学活化，可制备出具有不同性质的活性炭，这反映了活化剂、水热碳化 (HTC) 以及活化参数（活化剂与前驱体的比例、干浸渍时间和活化时间）的影响。图 2 总结了这些结果，旨在优化活化条件，以平衡工业应用中的质量产率 (MY) 和碘吸附能力。

　　H3PO4具有可持续生产的潜力，其产率可与文献报道的木质纤维素生物质 50-55% 的产率相媲美，并强调了平衡化学、热学和前体因素的整体工艺设计的重要性。

　　活化剂对活性炭性能的影响在氢氧化钾 (KOH) 和磷酸 (H3PO4) 处理的样品之间表现出显著差异。相比之下，H3PO4 的作用更为温和，它诱导纤维素发生脱水和缩合反应，从而降低脂肪族含量并增加芳香性，进而提高热稳定性。由此可见，试剂与前驱体的比例对活性炭的质量产率和碘值有显著影响，氢氧化钾（KOH）和磷酸（H3PO4）的变化趋势相反，如图2所示。

　　活化时间是一把双刃剑，它能提高吸附容量，但会降低产率。磷酸(H3PO4)具有更高的吸附率（高达54.86%）和适中的孔隙率（高达1117.30 mg/g），适用于需要结构稳定性的应用，例如过滤介质，并且在生产过程中具有潜在的节能优势。优化时间、浸渍条件和比例可以提升水热炭基碳的性能，使其与商业产品竞争。因此，需要采取策略性方法来平衡化学反应性、热暴露和前驱体性质，以实现可持续的工业规模化生产。

　　本研究采用方差分析 (ANOVA) 对活化参数（试剂与前驱体比 (APR)、干浸渍时间 (DI)、活化时间 (AT) 和活化剂 (AGENT)）对质量保持率和吸附容量的影响进行了严格评估，该分析基于先前概述的实验设计。