重金属高富集植物水热转化过程研究
发布时间：2020-06-07 13:02
【摘要】：随着土壤重金属污染问题日益严重,如何修复和安全有效地利用重金属污染土壤成为当今社会亟待解决的现实问题。植物修复因其绿色、经济,原位修复及边修复边利用等众多优势成为重金属污染土壤主要的修复途径之一,但植物修复技术会产生大量富集重金属的生物质。目前处理重金属高富集植物的技术主要有焚烧法、灰化法、堆肥法、压缩填埋法、高温分解法和液相萃取法等,然而这些方法存在着生物质能源利用率低、重金属分离率不高、易造成二次污染等问题。水热转化法能将生物质转化为生物能源的同时达到重金属分离的目的,且重金属分离率和生物质能源利用率高,不会造成二次污染。因此,利用水热转化法处理重金属高富集植物意义重大,其核心是达到无害化、资源化和减量化的目标。本文对重金属高富集植物水热转化过程进行了系统的研究,选取了三种代表性植物:超富集植物东南景天、重金属耐性植物铜草和重金属低积累水稻的秸秆。通过对原料成分、反应过程以及资源化产物生物油的研究,探究影响重金属分离、生物油生成以及生物质减量的因素以及重金属高富集植物水热转化的一般规律;验证水热转化过程中重金属的转移机制,为重金属高富集植物水热转化体系提供相应的理论依据及实验基础,推动水热转化法处理重金属高富集植物的工业化进程。主要内容概括如下:首先,以可富集Cd、Cu、Pb、Zn的超富集植物东南景天为原料开展了水热转化过程研究。分析了原料的含水率、元素组成和生物质成分;考察了 14种不同酸碱度的添加剂、不同浓度的H202、原料/溶剂固液比、反应时间和温度对东南景天水热转化的影响;并对生物油进行了元素分析和热值计算。结果表明:添加剂和H2O2对重金属的分离无促进作用;高于0.10的原料/溶剂固液比会促进重金属分离到固相;不使用添加剂,原料/溶剂固液比为0.15、反应温度为.320℃、反应时间为1 h时,四种金属固相收率分别为:90±4%(Cd)、95±5%(Cu)、100±6%(Pb)、80±6%(Zn),此时生物质质量减量到原料的18.8%(新鲜植物的1.9%),生物油产率为21.5%,高位热值为38.1 MJ/kg,实现了超富集植物无害化、资源化和减量化的高效转化。并通过分析Na2EDTA对东南景天中重金属的萃取效果及萃取后固液两相产物的质量占比和生物质成分,提出了一条超富集植物萃取-水热转化耦合工艺路线。其次,以Cu耐性植物铜草为原料开展了水热转化过程研究。分析了原料的含水率、元素组成和生物质成分;考察了 2种碱性添加剂、原料/溶剂固液比、反应时间和温度对铜草水热转化的影响,;并对生物油进行了元素分析和热值计算。结果表明:添加剂的使用对Cu的分离无促进作用;0.15以上的原料/溶剂固液比会促进Cu分离到固相;不使用添加剂,原料/溶剂固液比为0.15、反应温度为320℃、反应时间为20 min时,Cu的固相收率达到95土2%,此时生物质质量减量到原料的17.5%(新鲜植物的13.8%),生物油产率为25.0%,高位热值为35.2MJ/kg,实现了重金属耐性植物无害化、资源化和减量化的高效转化。然后,以Cd低积累水稻中早39的秸秆为原料开展了水热转化过程研究。分析了原料的含水率、元素组成和生物质成分;考察了 14种不同酸碱度的添加剂、原料/溶剂固液比、反应时间和温度对水稻秸秆水热转化的影响;并对生物油进行了元素分析和热值计算。结果表明:添加剂对水稻秸秆水热转化的影响不大,当不使用添加剂时,95%以上的Cd就富集在固相残渣中;提高原料/溶剂固液比会促进Cd分离到固相;不使用添加剂,原料/溶剂固液比为0.15,反应温度为290 ℃、反应时间为1h时,Cd完全富集在固相残渣中,此时生物质质量减量到原料的22.5%(新鲜植物的21.5%),生物油产率为22.0%,高位热值为36.7 MJ/kg,实现了重金属低积累作物无害化、资源化和减量化的高效转化。最后,针对水热转化后几乎所有重金属富集到固相的结果开展了重金属的转移机制探究实验。以还原性单糖(葡萄糖、果糖、木糖)和非超富集生态型东南景天为模型物质,Pb、Cd、Cu、Zn的硝酸盐水溶液为反应介质,在相同条件下进行模型反应,考察了不同模型物、模型物/金属离子摩尔比、反应时间和多次加样等因素对重金属转移的影响,最终阐明了重金属的转移机制。结果表明:不同模型物下,四种金属离子的转移率均呈现出CuPbCdZn的规律,与四种金属离子的氧化性顺序一致;以还原性糖为模型物质时,四种金属离子的转移率随模型物/金属离子摩尔比的增加逐渐增大,摩尔比为600时均达到了 90%以上,而非超富集生态型东南景天始终能金属离子完全转移;四种金属离子的转移率随反应时间的延长逐渐增大,反应8h后均达到了 99%,与重金属高富集植物的水热转化结果一致;随着模型物加样次数的增加,四种金属离子的转移率也逐渐增大,加样三次后均达到了 96%以上。结合重金属高富集植物水热转化的实验结果,推测重金属的转移机制可能为:近/超临界状态下重金属与金属配位体间的配位键断裂,重金属元素由螯合态转化为离子态,而后被植物本身含有的及生物质水热分解产生的还原性物质还原成单质态,最终富集在固相残渣中。
【图文】：
据２０１４年环境保护部与国土资源部联合公布的《全国土壤污染状况调逡逑查公报》报道［｜］，我国重金属污染土壤点位超标率高达〗６．１％，其中耕地土壤污逡逑染情况尤为严重，，重金属点位超标率接近１／５，面积多达２０００万公顷，图１．１为逡逑我国耕地重金属污染案例区位置图［２］。每年因土壤污染而减少的粮食产量超过逡逑１０００万吨，直接经济损失达１００多亿元⑴。污染土壤的重金属主要来源于人类工逡逑农业生产过程，包括工业废渣、废气排放、污水灌溉以及农药和磷肥等的大量施逡逑用［４］。重金属污染物涉及Ｃｄ、Ｈｇ、Ａｓ、Ｃｕ、Ｐｂ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｎｉ等，多为多种金逡逑属复合污染，严重影响土壤的生态环境和农业生产功能。这些重金属经食物链最逡逑终流入动物和人体，对动物和人体的生命和健康构成了极大威胁。逡逑ｗ＾Ｅ逡逑＾＇７］）逦，n帕睿峰澹箦义希殄义希椋铄义希蓿蓿蓿蓿蓿埃埃板澹耄礤五五五五义贤迹保蔽夜刂亟鹗粑廴景咐恢茫椋病垮义希玻埃保赌辏翟拢玻溉眨巴潦酢ā锻寥牢廴痉乐涡卸苹罚┞涞兀魅诽岢鲥义衔夜雇寥牢廴局卫碛胄薷
本文编号：2701451
【图文】：
据２０１４年环境保护部与国土资源部联合公布的《全国土壤污染状况调逡逑查公报》报道［｜］，我国重金属污染土壤点位超标率高达〗６．１％，其中耕地土壤污逡逑染情况尤为严重，，重金属点位超标率接近１／５，面积多达２０００万公顷，图１．１为逡逑我国耕地重金属污染案例区位置图［２］。每年因土壤污染而减少的粮食产量超过逡逑１０００万吨，直接经济损失达１００多亿元⑴。污染土壤的重金属主要来源于人类工逡逑农业生产过程，包括工业废渣、废气排放、污水灌溉以及农药和磷肥等的大量施逡逑用［４］。重金属污染物涉及Ｃｄ、Ｈｇ、Ａｓ、Ｃｕ、Ｐｂ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｎｉ等，多为多种金逡逑属复合污染，严重影响土壤的生态环境和农业生产功能。这些重金属经食物链最逡逑终流入动物和人体，对动物和人体的生命和健康构成了极大威胁。逡逑ｗ＾Ｅ逡逑＾＇７］）逦，n帕睿峰澹箦义希殄义希椋铄义希蓿蓿蓿蓿蓿埃埃板澹耄礤五五五五义贤迹保蔽夜刂亟鹗粑廴景咐恢茫椋病垮义希玻埃保赌辏翟拢玻溉眨巴潦酢ā锻寥牢廴痉乐涡卸苹罚┞涞兀魅诽岢鲥义衔夜雇寥牢廴局卫碛胄薷
本文编号：2701451
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/huanjinggongchenglunwen/2701451.html
最近更新
教材专著
