随着煤、石油等化石燃料的日益枯竭,生物质作为一种可再生资源,具有来源广泛、产量巨大等优势,对其资源化利用可有效缓解当前的能源和材料危机。水热碳化作为一种新兴的热化学转化方法,可直接利用高含水率、低能量密度的废弃生物质原料,引起广泛关注。本研究选取典型废弃生物质为主要处理对象,采用水热碳化方法为主要提质手段,开展了催化及共水热碳化制备高品质固体燃料、共水热碳化制备富营养型生物炭和水热碳化制备高性能吸附剂等方面的研究,探讨多组分物料间的反应机理及产品调控方法,评估水热碳化方法作为低值生物质原料制取高品质多功能生物炭的可行性。具体研究内容及所得主要结论如下:(1)以木质纤维素生物质为原料,在水热碳化预实验的基础上,研究FeC13、CaO等外源均相催化剂加入和水热液相产物循环自催化等手段对水热碳化过程的强化作用。实验结果表明,外源催化剂的加入提高了固相水热炭的碳化程度,降低了挥发分的含量,同时GC/MS结果表明FeCl3等催化剂的加入提高了液相中甲酸、乙酸、乙酰丙酸、5-羟甲基糠醛等产物的生成。此外,水热液相产物作为工艺补给水循环回用,其含有的乙酸等小分子有机物可起到自催化作用,显著提高了固相产物的产率和固相能量回收率。(2)以木质纤维素生物质和废弃聚氯乙烯塑料为原料,开展了共水热碳化提质制备固体燃料的实验研究。具体研究了水热碳化温度和原料混合比例对水热碳化过程中碳元素转化及脱氯效果的影响,并结合SEM、FTIR等表征方法对水热炭的表观形貌及化学结构进行分析,探究其碳化脱氯机制,采用TG/DTG和Py-GC/MS分析方法研究水热炭作为固体燃料的燃烧和热解特性。结果表明,共水热碳化显著改善了水热炭的燃料品质,随着水热碳化温度升高,水热炭中碳含量由47.59%(200℃)提升至74.26%(280℃),而氯含量由31.96%降低至3.98%。在240℃水热温度下,共水热碳化所得水热炭热值由21.03 MJ/kg 分别提高到 26.90MJ/kg、29.66 MJ/kg 和 29.78 MJ/kg(3:1、1:1、1:3,PS/PVCS)。Py-GC/MS分析结果表明,共水热碳化促进了水热炭热解产物中脂肪族和脂环烃类化合物的生成。(3)以木质纤维素生物质和脱水污泥为原料开展共水热碳化实验。具体研究水热碳化过程中碳、氮、磷等营养元素的迁移规律,探究水热碳化过程中的交互作用机制,结合SEM、FTIR、Boehm’s滴定、CP-MAS 13CNMR、氮磷形态检测等方法进行分析表征,考察其固体产物作为土壤添加剂的理化特性。研究发现,共水热碳化具有明显的协同效应,有效促进固相水热炭的生成,在原料混合比例为1:1条件下,所得水热炭具有较高的协同系数,水热炭产量可达58.11%,碳固定率为66.56%,有机物固定率为57.48%,协同系数分别为8.41%、14.92%和13.09%。水热炭化学结构分析表明,共水热碳化显著提高了固相产物的煤化程度和高活性含氧官能团含量,具有较好的土壤改良特性。共水热对氮磷有一定的协同固化作用,可提高水热炭中营养元素含量,适宜作为缓释肥以降低氮磷在土壤应用中的流失。(4)以木质纤维素生物质为原料,开展水热碳化联合酸碱改性方法制备高性能吸附剂的研究,通过BET、FTIR、XPS等方法探究改性水热炭强化吸附的作用机制。研究发现,水热碳化制得的水热炭以低浓度碱液处理,吸附效果优于酸改性,可制备高性能的Cr(VI)离子吸附剂。在25℃下,用低浓度(0.05 N)碱改性水热炭对水体中Cr(VI)的吸附量较原料(15.27 mg/g)提升200.46%,同时改性水热炭吸附剂产率高达47.61%,远高于传统热解活化方法制备活性炭的产率。吸附动力学研究结果表明伪二级动力学模型能更好的描述改性水热炭对Cr(VI)的吸附动力学行为;改性水热炭对Cr(VI)的吸附更符合Freundlich吸附等温线,热力学分析表明此吸附过程是一个自发进行的吸热反应。通过BET、FTIR、XPS对生物炭材料的孔结构、表面官能团及元素化学状态进行表征,发现改性水热炭具有更丰富的表面含氧官能团,从而增强了吸附效果。综上可见,水热碳化是一种高效的废弃生物质提质转化方法,以不同生物质物料的理化特性(生物质成分和氮、磷、氯含量等)为基础,结合原料调配、催化剂强化、工艺水自催化、产物后改性等调控手段,可按照不同的应用需求,制备高品质固体生物炭燃料、富营养型土壤改良剂或高性能吸附材料等。相关研究成果可以为水热碳化生物质提质制备高附加值产品提供理论依据和技术指导。