含重金屬生物質的熱解特性及其污染調控機理研究

《含重金屬生物質的熱解特性及其污染調控機理研究》是依託中南大學，由郭朝暉擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：含重金屬生物質的熱解特性及其污染調控機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：郭朝暉
• 依託單位：中南大學

項目摘要

我國土壤重金屬污染突出。污染土壤植物修復與污染耕地農業利用過程中，如何控制大量含重金屬生物質的二次污染已成為亟待解決的重要環境問題之一。利用熱解技術處置含重金屬生物質已倍受關注。本項目擬選取含As、Cd、Pb等重金屬的稻草、構樹等生物質為對象，結合FT-IR、XPS等手段，闡明生物質組分與重金屬的結合機制；通過TGA實驗和熱解實驗，闡明含重金屬生物質的熱解特性及其熱解動力學特徵；研究熱解過程中生物質中重金屬的釋放特徵，以及熱解產物生物炭、生物油和氣體中重金屬的分布特徵、賦存形態與環境活性，闡明不同生物質類型和熱解條件下重金屬在熱解產物間的遷移分布規律及其調控機制；結合XRD、BET等手段，研究不同熱解條件下重金屬在生物炭表/界面的熱穩定特性與吸附行為，揭示其在生物炭中的吸附/穩定機理。本項目研究將為含重金屬生物質資源化利用過程中污染控制提供科學依據。

結題摘要

我國土壤重金屬污染突出。重金屬污染土壤植物修復產生大量含重金屬生物質，迫切需要解決其潛在的二次污染問題。本項目採用熱解和水熱炭化技術，結合TG/MS、TG/FT-IR、GC-MS、XRD、XPS等分析手段，研究含重金屬生物質的熱化學轉化特性、重金屬在熱化學轉化過程中的遷移分布特徵及其吸附/穩定機制，為其無害化資源化提供科學依據。主要成果如下：（1）蘆竹、構樹和油菜秸稈等含重金屬生物質熱解過程中，重金屬降低了生物質熱解活化能；67.76~77.27%的重金屬保留在生物炭中。添加重金屬鹽同樣降低生物質熱解反應活化能，63.2~68.2%Cd和69.0~77.9%Cu保留在生物炭中；重金屬對揮發分產率和成分影響不明顯。（2）含重金屬生物質中As，Cd和Pb等主要富集在生物炭中，添加固定材料能夠改變重金屬的分布規律及其賦存形態。在250°C下添加0.5%的NaOH、熱解0.50 h，其生物炭產率達到86%。生物炭中As的固定率只有8~37%；Cd為65~97%；Pb為23~59%。添加固定材料NaOH、FeCl3和CaCO3分別對As、Cd和Pb具有良好的固定效果；生物炭中As和Cd主要以殘渣態存在，Pb主要以氧化態存在。（3）研究了生物質及其生物炭對重金屬吸附/穩定機制。構樹生物質對Cd和Cu的飽和吸附量為0.25 mmol/g。吸附渣熱解溫度為450°C時，固相產物產率為30%。在熱解溫度450°C條件下，隨著溶液pH從2升至6，固體產物中重金屬固存率從81.3%升至90.4%。重金屬在固相中主要以單質或氧化物形式存在，有利於重金屬回收利用。（4）含重金屬生物質水熱炭化及重金屬分離機制研究結果表明，在250°C、反應1 h和液固比5:1適宜條件下，蘆竹水熱炭化炭熱值28.5 MJ/kg，達到《煤炭質量分級標準》（GB/T 15224.3-2010）高發熱量煤等級；99%Cd和Pb進入液相產物中。中性鉀鹽有效提高了污染稻草水熱炭熱值、能量產率和固定碳含量；促進了生物質脫水和脫羧基過程，降低了水熱炭中含氧官能團數量，重金屬主要進入液相，為含重金屬生物質資源化利用提供科學依據和理論基礎。本項目共發表學術論文20篇；參加學術會議6次；培養研究生13人。