不同添加剂强化热解修复石油污染土壤的机理及其生态毒性评价

Many soils were heavily polluted by petroleum during the mining, storing, transporting, manufacturing and using processes. Pyrolysis could convert heavy hydrocarbons (resins and asphaltenes) to volatile light oil and non-hazardous char and accordingly, could decrease the required energy costs by approximately 40−60% relative to those of incineration. To further lower the energy cost of remediating petroleum-contaminated soil by pyrolysis and protect the ecological function of soil, using additives to enhance pyrolysis is a possible way. .Considering the technology is still at the initial stage, in this study, different additives enhanced pyrolysis will be used to treat typical petroleum-contaminated soils in China. The system will be optimized and different factors will be investigated on petroleum removal efficiency. The remediation mechanism will be investigated from thermogravimetric analysis, additives structure and dynamic changes of petroleum components. The changes in soil physicochemical properties and bacterial luminescence and wheat ecotoxicity of treated soils will be evaluated. The results obtained in this study are expected to provide some insights for remediating petroleum-contaminated soils in future engineering applications.

石油在开采、储运、加工和使用过程中，因渗漏、溢出等原因可能对土壤造成严重的污染。热解技术可在300-500℃将重质油（胶质、沥青质等）热解为可挥发去除的轻质油和无毒害的焦炭类物质，与焚烧技术相比，热解技术应用于修复石油污染土壤可能节省40-60%的能耗。为了进一步降低热解技术修复石油污染土壤的能耗，保护土壤的生态功能，使用添加剂强化热解修复石油污染土壤可能是一种潜在的研究方向。鉴于热解技术修复污染土壤的研究刚刚起步，本研究选取我国典型土壤类型的石油污染土壤，考察不同添加剂强化热解修复石油污染土壤的效果，从热重分析、添加剂结构特征以及石油组分的动态变化角度深入探讨添加剂强化热解修复石油污染土壤的机理，并评估修复后土壤理化性质的变化及对发光细菌和小麦的生态毒性，为热解技术在我国石油污染土壤中的应用提供技术支持。

本项目选取山东东营胜利油田重质石油烃污染土壤为研究对象，考察了不同添加剂对重质石油烃污染土壤强化热解修复效果及污染物去除特征，优选了强化热解修复添加剂；探明了污染土壤强化热解动力学过程和热解气体产物组成及释放规律；阐明了重质石油烃污染物分子强化热解去除特征及机理。本项目研究成果将为热解技术在我国石油污染土壤修复中的应用提供理论和技术支撑。重要成果和结论包括：.1、明确了不同添加剂对重质石油烃污染土壤强化热解修复效果及污染物去除特征。当重质石油烃污染土壤中分别加入5% K2CO3、CaO、Fe2O3、赤泥、沸石和Al2O3添加剂在400ºC热解30 min后，土壤中总石油烃去除率相比于无添加剂400ºC热解土壤分别提升了26.16%、25.65%、25.53%、23.93%、23.15%和20.75%。添加剂均能显著促进污染土壤中芳香烃、胶质和沥青质重质组分的热解去除。.2、系统评估了添加剂强化热解修复技术能耗及成本、土壤理化性质变化，优选了强化热解修复添加剂。与无添加剂热解技术相比，添加剂强化热解技术能耗降低34.71%，每立方米污染土壤修复成本降低77～355元。结合土壤理化性质变化分析结果，优选Fe2O3作为强化热解修复添加剂。.3、阐明了重质石油烃污染土壤Fe2O3强化热解特征及动力学过程。污染土壤强化热解过程土壤失重主要发生在污染物热反应阶段，且低升温速率有利于重质石油烃污染物转化为焦炭。Fe2O3可降低重质烃热反应阶段的Ea，该阶段反应过程受级数反应、扩散反应和自由成核生长反应协同控制。.4、探明了重质石油烃污染土壤Fe2O3强化热解过程气体产物组成及释放规律。污染土壤Fe2O3强化热解过程释放的无机气体产物主要为CO2和H2O，有机气体产物主要为脂肪烃类、羧酸酯类和醇类化合物，且释放量显著低于无添加剂污染土壤热解过程。.5、揭示了重质石油烃化合物分子Fe2O3强化热解去除特征及机理。重质石油烃污染土壤强化热解过程中，Fe2O3可与含O、N、S杂原子的极性化合物分子强烈结合并发生热化学反应，促使该类化合物显著去除，其去除程度甚至优于无添加剂500⁰C热解土壤。