通过热解法生产生物炭以实现可持续的土壤管理和植物生长：对水果和蛋壳废弃物的升级利用

《Bioresource Technology Reports》：Biochar production via pyrolysis for sustainable soil management and plant growth: Upcycling of fruit and eggshell waste

　　**哈迪尔·埃拉姆库拉特（Hadil Elamkulath）| 肖赫鲁克·纳瓦杰·阿拉姆（Shahrukh Nawaj Alam）| 赛伊拉·哈立德（Zaira Khalid）| 巴斯卡尔·辛格（Bhaskar Singh）| 拉坦·库马尔·德伊（Ratan Kumar Dey）**
**贾坎德中央大学环境科学系，切里-马纳图（Cheri-Manatu），兰契（Ranchi），835 222，印度**

**摘要**
城市固体废物（MSW）产生的快速增长已成为全球面临的主要环境挑战。其中相当一部分是食物废物，这些废物具有转化为高附加值产品的巨大潜力。随着全球對将有机废物转化为生物能源的兴趣日益增加，人们也开始关注这些过程中产生的副产品。其中，生物炭在改善土壤质量方面显示出显著前景，本研究探讨了其缓解酸性土壤条件的有效性。通过为期60天的培养实验，研究了从橙皮（OP）以及橙皮与蛋壳混合物（OP+ES）中提取的生物炭对酸性土壤的影响。生物炭添加量分别为5wt%、2.5wt%和1wt%，所有处理均重复三次。结果表明，所有添加了生物炭的土壤pH值均从酸性变为微碱性。此外，几种土壤物理化学性质也有所改善，包括电导率（EC）、孔隙度、含水量、有效钾（K）、有效磷（P）和持水能力。相比之下，有效氮（N）的水平与对照组相比基本没有变化。较高添加量下的土壤容重降低进一步促进了土壤质量的提升。总体而言，研究结果表明，利用食物废物制成的生物炭为改善酸性土壤提供了一种有前景的策略，同时也有助于实现可持续的MSW管理。

**引言**
由于全球人口的增长，城市固体废物（MSW）的产生速度约为每年130万吨（Wu等人，2015年）。这些废物中包含大量剩菜剩饭和农业废弃物，通常作为城市垃圾处理。不同水果的可食用部分比例差异很大，据报道，西瓜的废物比例约为48%，葡萄柚为30%，菠萝为46%，香蕉为35%，柑橘类水果为25-35%，苹果约为12%（De Laurentiis等人，2018年）。显而易见，每年会产生大量的水果皮废物，例如柑橘产业产生的废物，这给经济和环境带来了问题，因为每天都会产生大量的橙皮废物（Abdelaal等人，2021年）。因此，柑橘加工等行业每天会产生大量果皮废物，从而带来环境和经济上的挑战（Abdelaal等人，2021年）。在各种水果残渣中，由于全球对柑橘类饮料和加工产品的需求，橙皮废物的产生量尤其庞大（Abdelaal等人，2021年）。橙皮废物的特点是含水量高（72.5-85%）、pH值呈酸性（3-4），以及复杂的生化组成，包含多糖、木质素、可溶性糖、蛋白质、多酚和精油（de la Torre等人，2018年；Ioannidou等人，2020年；Zema等人，2018年）。这些特性使得传统处理方法难以有效管理橙皮废物，同时也表明其作为宝贵生物质资源的潜力。

**传统管理策略的局限性**
填埋因温室气体排放、渗滤液形成和公共卫生风险等问题而越来越受到限制，这在欧盟废物框架指令（2020年）等法规中得到了体现。虽然堆肥有助于养分循环，但由于柑橘残渣的酸性以及高精油含量，微生物活动受到抑制，分解速度减慢（Ruiz等人，2014年）。同样，将橙皮废物作为动物饲料使用时通常需要耗费大量能量进行干燥和制粒，其本身的苦味和酸性可能会降低动物的接受度（Ma和Liu，2019年；Martín等人，2018年；Negro等人，2017年）。这些挑战凸显了需要寻找替代的、可持续的方法来实现水果皮废物的有效利用。

**将有机残渣热化学转化为生物炭**
将有机残渣热化学转化为生物炭是一种有前途的方法，可以将水果和农业废物转化为稳定、富含碳的材料，并具有多样的环境应用。通过缓慢热解等进程，水果生物质可以转化为适合用于土壤改良、碳封存和环境修复的生物炭（Alam等人，2020年；Sial等人，2019a）。近年来，将水果废物转化为生物炭的研究受到越来越多的关注，尤其是在减缓温室气体排放和提高土壤可持续性方面。多项研究表明，生物炭的应用可以通过稳定土壤中的碳来帮助缓解气候变化，同时减少氧化亚氮（N?O）和甲烷（CH?）的排放（Gupta等人，2020年；Lehmann和Joseph，2009年；Ndoung等人，2021年）。除了碳封存之外，将生物炭掺入土壤还能带来多种农学和环境效益，包括改善土壤结构、增加持水能力、提高阳离子交换容量（CEC）、减少肥料需求以及增强微生物活性（Sial等人，2019b）。先前关于橙皮衍生生物炭的研究表明，与未经处理的生物质相比，生物炭能够显著改善土壤pH值、电导率、有机碳含量和孔隙结构，并减少温室气体排放（Sial等人，2019b）。研究还发现，在300至600°C之间的热解温度以及不同的停留时间内，温度和停留时间都会显著影响橙皮生物炭的物理化学性质，最佳性能通常出现在300-450°C范围内（Abdelaal等人，2021年）。高CEC值（高达70 cmol kg?1）以及添加2%生物炭时土壤持水能力增加约10%，添加6%生物炭时增加约20%，进一步强调了其作为土壤改良剂的潜力（Abdelaal等人，2021年）。

**橙皮废物的再利用**
与水果废物再利用类似，蛋壳废物因其高碳酸钙（CaCO?）含量而逐渐被认可为一种有价值的二次资源。蛋壳已被广泛用作低成本CaCO?来源，应用于催化剂、吸附剂和土壤改良剂等。最近的研究表明，蛋壳衍生生物炭和蛋壳-生物炭复合材料具有多功能性，应用范围超出了土壤系统。例如，Foronda-Quiroz等人（2025年）使用鳄梨籽生物炭和蛋壳衍生的CaO开发了一种复合催化剂，在生物基润滑剂合成中实现了高转化效率。他们的研究突显了蛋壳-生物炭材料在循环资源管理框架内作为可持续高附加值产品的广泛潜力。蛋壳辅助生产的生物炭也用于先进材料制备，例如Zhang等人（2024年）使用桉树叶和蛋壳废弃物合成了具有层次孔结构的活性炭，适用于高性能超级电容器。这些研究表明，蛋壳-生物质组合可以生成高价值的功能性材料，拓展了生物炭升级利用在能源存储领域的应用。在较高处理温度下，蛋壳衍生的CaCO?还充当天然激活剂和多孔碳合成的硬模板。当温度超过800°C时，CaCO?分解为CaO和CO?，释放的CO?作为原位激活气体促进碳材料的孔隙发育（Li等人，2023年；Panchal等人，2019年；Shen等人，2018年）。Shen等人（2018年）使用奶渣和蛋壳实验验证了这一概念，得到了比率为2:1时具有543.6 m2 g?1表面积的层次多孔碳。Panchal等人（2019年）则使用蛋壳和椰子壳生物质合成了有序多孔碳，其中1:1的质量比和800°C条件下获得了最大的表面积（375.4 m2 g?1）。

**研究方法**
**水果皮收集与生物炭制备**
橙皮废物从贾坎德中央大学附近的市场的果汁销售点收集，蛋壳废物从宿舍食堂收集。废物用蒸馏水清洗后，将其在80°C下空气中干燥48小时。干燥后，用研钵将其捣碎成粉末，并通过0.5毫米筛子筛分。粉末状生物质储存在密封容器中以备后续使用。

**生物质的热解分析**
通过近似分析方法测定了生物质的挥发性物质、灰分和固定碳含量，结果见表1。橙皮生物质的挥发性物质含量为53.8%，固定碳含量为31.8%，灰分含量为14.4%；橙皮与蛋壳混合生物质的挥发性物质含量为54%，固定碳含量为32.1%，灰分含量为13.9%。高挥发性物质含量表明该生物质在热化学转化过程中易于挥发，有利于热解和气化。

**研究的局限性**
本研究是在受控实验室条件下进行的，无法完全模拟实际环境。所测试的生物炭仅适用于一种酸性土壤类型，其在不同土壤类型（如Oxisols和Alfisols）中的效果可能因粘土矿物学、缓冲能力和有机物含量的差异而有所不同。尽管傅里叶变换红外光谱（FTIR）检测到了与金属配位相关的功能基团（如1419 cm?1处的羧基），但本研究未直接测量重金属的渗出情况。

**结论**
本研究全面评估了将水果和蛋壳废物转化为生物炭及其作为土壤改良剂改善酸性土壤质量和植物生长的应用效果。研究结果表明，无论是单独使用橙皮生物质还是与蛋壳结合使用，热化学转化后产生的生物炭都具有优异的物理化学性质，适合可持续农业应用。450°C下的热解过程表明……

**作者贡献声明**
哈迪尔·埃拉姆库拉特（Hadil Elamkulath）：撰写初稿、软件处理、数据采集、概念化。
肖赫鲁克·纳瓦杰·阿拉姆（Shahrukh Nawaj Alam）：修订与编辑、数据验证、项目管理和方法论设计。
赛伊拉·哈立德（Zaira Khalid）：修订与编辑、数据验证、项目管理和方法论设计。

**参与同意**
不适用。

**出版同意**
不适用。

**伦理批准**
不适用。

**资金支持**
作者声明在撰写本手稿过程中未收到任何资金、补助或其他支持。

**利益冲突声明**
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

**致谢**
肖赫鲁克·纳瓦杰·阿拉姆感谢印度大学拨款委员会提供的研究奖学金；赛伊拉·哈立德感谢印度科学与工业研究理事会（CSIR）通过高级研究奖学金（SRF–Direct）提供的经济支持，使其能够完成博士学位研究。