含重金属生物质的热解特性及其污染调控机理研究

Soil is seriously contaminated by heavy metals in China and it is an urgent environmental problem to control secondary pollution of heavy metals in biomass from phytoremediation and agricultural utilization for contaminated soils. It is highlighted on the disposal of heavy metals contaminated biomass using pyrolysis technology. In the study, biomass contaminated with As, Cd and Pb, such as straw and paper mulberry harvested, will be studied. The combination mechanisms between biomass fractions and heavy metals will be revealed using FT-IR and XPS techniques. Based on the TGA analysis and pyrolysis experiments, the pyrolysis characteristics and pyrolysis dynamics of metals-containing biomass will be studied. The releasing of heavy metals from biomass, and the distribution, occurrence and availability of heavy metals in the biochar, bio-oil and bio-gas affected by the types of biomass and pyrolysis conditions will be studied in order to elucidate the transferring principles and control mechanisms of heavy metals in pyrolysis products. Furthermore, the mechanism of absorption and stabilization of heavy metals in biochar will be studied according to thermal stabilization characteristics and absorption behaviors on the surface and interface of biochar using XRD and BET analysis, which is produced under different pyrolysis conditions. Finally, the results will be served for the pollution control in reuse of heavy metals contaminated biomass.

我国土壤重金属污染突出。污染土壤植物修复与污染耕地农业利用过程中，如何控制大量含重金属生物质的二次污染已成为亟待解决的重要环境问题之一。利用热解技术处置含重金属生物质已倍受关注。本项目拟选取含As、Cd、Pb等重金属的稻草、构树等生物质为对象，结合FT-IR、XPS等手段，阐明生物质组分与重金属的结合机制；通过TGA实验和热解实验，阐明含重金属生物质的热解特性及其热解动力学特征；研究热解过程中生物质中重金属的释放特征，以及热解产物生物炭、生物油和气体中重金属的分布特征、赋存形态与环境活性，阐明不同生物质类型和热解条件下重金属在热解产物间的迁移分布规律及其调控机制；结合XRD、BET等手段，研究不同热解条件下重金属在生物炭表/界面的热稳定特性与吸附行为，揭示其在生物炭中的吸附/稳定机理。本项目研究将为含重金属生物质资源化利用过程中污染控制提供科学依据。

我国土壤重金属污染突出。重金属污染土壤植物修复产生大量含重金属生物质，迫切需要解决其潜在的二次污染问题。本项目采用热解和水热炭化技术，结合TG/MS、TG/FT-IR、GC-MS、XRD、XPS等分析手段，研究含重金属生物质的热化学转化特性、重金属在热化学转化过程中的迁移分布特征及其吸附/稳定机制，为其无害化资源化提供科学依据。主要成果如下：.（1）芦竹、构树和油菜秸秆等含重金属生物质热解过程中，重金属降低了生物质热解活化能；67.76-77.27%的重金属保留在生物炭中。添加重金属盐同样降低生物质热解反应活化能，63.2-68.2%Cd和69.0-77.9%Cu保留在生物炭中；重金属对挥发分产率和成分影响不明显。.（2）含重金属生物质中As，Cd和Pb等主要富集在生物炭中，添加固定材料能够改变重金属的分布规律及其赋存形态。在250℃下添加0.5%的NaOH、热解0.50h，其生物炭产率达到86%。生物炭中As的固定率只有8-37%；Cd为65-97%；Pb为23-59%。添加固定材料NaOH、FeCl3和CaCO3分别对As、Cd和Pb具有良好的固定效果；生物炭中As和Cd主要以残渣态存在，Pb主要以氧化态存在。.（3）研究了生物质及其生物炭对重金属吸附/稳定机制。构树生物质对Cd和Cu的饱和吸附量为0.25mmol/g。吸附渣热解温度为450℃时，固相产物产率为30%。在热解温度450℃条件下，随着溶液pH从2升至6，固体产物中重金属固存率从81.3%升至90.4%。重金属在固相中主要以单质或氧化物形式存在，有利于重金属回收利用。.（4）含重金属生物质水热炭化及重金属分离机制研究结果表明，在250℃、反应1h和液固比5:1适宜条件下，芦竹水热炭化炭热值28.5MJ/kg，达到《煤炭质量分级标准》（GB/T 15224.3-2010）高发热量煤等级；99%Cd和Pb进入液相产物中。中性钾盐有效提高了污染稻草水热炭热值、能量产率和固定碳含量；促进了生物质脱水和脱羧基过程，降低了水热炭中含氧官能团数量，重金属主要进入液相，为含重金属生物质资源化利用提供科学依据和理论基础。.本项目共发表学术论文20篇；参加学术会议6次；培养研究生13人。