14 / 2023-09-26 18:27:46

基于环境风险和修复性能的生物炭生产工艺优化方法及其应用潜力

生物炭，环境风险，修复性能，重金属，生产工艺

近年来，生物炭作为一种高效污染土壤修复调理试剂，得到广泛研究与应用，但其复杂的原料来源亦可能导致生物炭成为有毒物质如重金属的载体，而热解属于固废减量化过程，有机组分损失可达90%以上，并且大多重金属化合物沸点低于热解温度，从而导致重金属富集在生物炭中，致使其在实际土壤应用中存在巨大的环境风险。据此，本研究提出了基于环境风险与修复性能的生物炭生产工艺二元优化方法，并以典型固废为例，评估了其热解产物的重金属风险和Cd修复性能，以此优化热解条件。结果表明，随着热解温度的升高，热解生物炭的pH值和灰分含量均有所提高；然而产率、H/C和N/C却呈现降低趋势。热解致使生物炭中重金属含量增加明显，与原材料相比，生物炭中Cd、Ni、Cu、Cr、Pb和Zn的含量经由600℃热解后分别增加了4.4、20.7、1.9、2.4、6.1和2.2倍。但热解后生物炭的重金属赋存形态均得到稳定化，重金属风险从中等降至较低。生物炭对Cd的固定容量依次为：49.0 mg/g（600 ℃）、46.5 mg/g（500 ℃），23.6 mg/g（400 ℃）和18.2 mg/g（300 ℃）。因此，500°C条件下热解制备的生物炭可实现Cd的绿色、高效、经济修复。SEM-EDS和XPS表征结果表明，生物炭可通过沉淀、羧基/羟基络合、金属阳离子交换以及与π-电子配位固定重金属Cd。本研究从环境风险和修复性能两方面优化生物炭生产工艺参数，为生物炭在土壤中的绿色、高效、经济应用提供了新的视角。