崔帅
云南工商学院
摘要：基于TRIZ理论中的系统分析、功能分析和因果分析找到了影响生物炭吸附效率低和生产成本高的主要原因。利用TRIZ物理冲突理论、矛盾冲突理论和响应曲面优化理论对柚皮生物炭的制备工艺进行优化，为柚皮生物炭的优化生产奠定理论基础。
关键词：TRIZ理论; 柚皮生物炭; 工艺优化
1.TRIZ理论
TRIZ源于俄文单词“发明问题解决理论”的首字母，其基本含义是强调解决实际问题而实现技术于管理的创新。楼旭明[1]等人研究了基于专利分析的无人机技术态势，揭示无人机发展状态和趋势，为无人机产业发展提供技术情报支撑。李牧南等人[2]从TRIZ理论的提升理想度进化法则出发、结合专利技术生命周期，识别石墨烯技术创新演化阶段 。谢志明[3]等人基于专利地图对中国的燃料电池、纯电动、混合动力的新能源汽车技术现状进行分析，并通过TRIZ技术进化理论预见技术进化模式和路线。TRIZ理论做为一种发明创新问题的有效理论工具，在各领域的技术创新、生产和管理等方面都有着广泛的成功应用。
2.TRIZ理论分析问题
2.1 柚子皮生物炭的生产过程
运用TRIZ理论中的系统分析、功能分析和因果分析找到生产过程中影响生物炭吸附效率和生产成本的主要原因。
2.1.1系统分析
产品技术进化路线分析。根据TRIZ产品成熟度预测理论，柚子皮副产物的研究处于成长期后期。处于成长期的产品，市场需求增长很快，应根据用户需求对产品结构不断改进，对参数不断进行优化。故将提高产品的吸附效率及降低生产成本做为改进方案的主要目标。
2.1.2 功能分析
将柚子皮制备副产物的操作流程看作一个系统。本系统的作用对象是具有大孔隙结构的柚子皮生物炭。组件主要包括柚子皮、活化剂、混合物、活化柚子粉，粉碎机、筛分机、超声波、高温炉、空气是该系统的超系统、功能模型图如图1所示。
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功能模型图描述了各组件之间的关系，通过对功能模型图的分析，我们可以看出该系统存在以下几点功能缺陷：（1）各组分用量存在不足；（2）活化过程存在不足；（3）超声波活化和高温炭化过程中，超系统空气对混合物和活化柚子粉具有有害的干扰作用；（4）各过程的操作参数对生物炭的吸附性能存在交互作用。
2.2.3 因果分析
通过因果分析，找出问题产生的根本原因并找出解决问题所有可能的“突破点”。本文采用因果轴分析法，如图2所示。
造成产品吸附效率低的原因可能有：（1）活化剂用量不足；（2）柚子粉末的粒度分布不均匀；（3）超声波反应器的温度和波频率控制不精确；（4）高温炉的温度和事件控制不精确；（5）空气的存在易对活化过程进行干扰，产生氧化反应等副反应；易干扰炭化过程，将活化后的柚子粉表面发生氧化反应，导致产品杂质较多；（6）各工艺过程对操作参数存在交互作用。
造成产品成本高的原因：（1）活化剂用量；（2）设备质量；（3）废液处理及循环使用。
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图2 对柚皮吸附剂吸附效率影响的因果分析图
3.TRIZ理论解决问题
3.1物理冲突
根据因果分析，影响吸附剂吸附效率的原因有活化剂的不足。在制备的过程中，活化剂的用量多一些可以使得柚子粉与活化剂充分的接触，增强活化效应；但过量的活化剂又会增加洗涤的次数，浪费水资源。可以采用基于条件的分离原理，活化过程中添加适量的活化剂，后期通过提高高温炉的温度增加吸附剂的大孔隙通道，提高吸附剂的吸附效果，并降低生产成本。
3.2矛盾冲突
根据因果分析，影响吸附剂吸附效率的原因有柚子粉末的粒度分布不均匀。在制备的过程中，柚子粉末分布均匀可以提高柚子粉末和活化剂的接触面积，增加活化效率；但过度的要求柚子粉末的粒度分布，会增长粉碎机和筛分机的工作时长，增加耗电量，增加生产成本。
3.3响应曲面分析法
采用响应曲面(RSM)软件中的Response surface模块进行设计，以固液浸渍比，乙醇浓度，活化反应时间为试验因素(自变量)，柚子皮生物炭对亚甲基蓝溶液吸附性能为响应值进行试验组合设计，得出三个影响因素之间的交互作用。从试验结果可知，浸渍比、活化反应时间和乙醇浓度3个影响因素之间彼此有相互影响作用，并且存在一组最佳数值而使柚子皮生物炭的吸附性能达到最优。通过对求得模型的最优化求解，得出最优条件为浸渍比为1.75，乙醇浓度为90 %，反应时间为120 min。此时柚子皮吸附剂的吸附性能qe为20.22mg·g-1。
4.结论
通过TRIZ创新方法理论的应用，对柚皮生物炭的制备工艺进行了多方面的分析和改进创新，对解决生物炭吸附效率低等问题有较好的帮助，同时为提高柚皮生物炭吸附效率、降低生产成本等问题，奠定理论基础。
参考文献
[1] 楼旭明, 张程锦, 唐影. 基于专利分析和TRIZ理论的无人机技术态势研究[J]. 情报杂志, 2020, 2(39): 56-62.
[2]李牧南, 梁欣谊, 朱桂龙. 专利与理想度提升法则视角下的石墨烯技术创新演化阶段识别[J]. 科研管理, 2017, 2(38):10-17.
[3]谢志明, 张媛, 贺正楚,等. 新能源汽车产业专利趋势分析[J]. 中国软科学, 2015, 9: 127-141.