【摘要】：隨著土壤重金屬污染問題日益嚴(yán)重,如何修復(fù)和安全有效地利用重金屬污染土壤成為當(dāng)今社會亟待解決的現(xiàn)實(shí)問題。植物修復(fù)因其綠色、經(jīng)濟(jì),原位修復(fù)及邊修復(fù)邊利用等眾多優(yōu)勢成為重金屬污染土壤主要的修復(fù)途徑之一,但植物修復(fù)技術(shù)會產(chǎn)生大量富集重金屬的生物質(zhì)。目前處理重金屬高富集植物的技術(shù)主要有焚燒法、灰化法、堆肥法、壓縮填埋法、高溫分解法和液相萃取法等,然而這些方法存在著生物質(zhì)能源利用率低、重金屬分離率不高、易造成二次污染等問題。水熱轉(zhuǎn)化法能將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物能源的同時達(dá)到重金屬分離的目的,且重金屬分離率和生物質(zhì)能源利用率高,不會造成二次污染。因此,利用水熱轉(zhuǎn)化法處理重金屬高富集植物意義重大,其核心是達(dá)到無害化、資源化和減量化的目標(biāo)。本文對重金屬高富集植物水熱轉(zhuǎn)化過程進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,選取了三種代表性植物:超富集植物東南景天、重金屬耐性植物銅草和重金屬低積累水稻的秸稈。通過對原料成分、反應(yīng)過程以及資源化產(chǎn)物生物油的研究,探究影響重金屬分離、生物油生成以及生物質(zhì)減量的因素以及重金屬高富集植物水熱轉(zhuǎn)化的一般規(guī)律;驗(yàn)證水熱轉(zhuǎn)化過程中重金屬的轉(zhuǎn)移機(jī)制,為重金屬高富集植物水熱轉(zhuǎn)化體系提供相應(yīng)的理論依據(jù)及實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ),推動水熱轉(zhuǎn)化法處理重金屬高富集植物的工業(yè)化進(jìn)程。主要內(nèi)容概括如下:首先,以可富集Cd、Cu、Pb、Zn的超富集植物東南景天為原料開展了水熱轉(zhuǎn)化過程研究。分析了原料的含水率、元素組成和生物質(zhì)成分;考察了 14種不同酸堿度的添加劑、不同濃度的H202、原料/溶劑固液比、反應(yīng)時間和溫度對東南景天水熱轉(zhuǎn)化的影響;并對生物油進(jìn)行了元素分析和熱值計(jì)算。結(jié)果表明:添加劑和H2O2對重金屬的分離無促進(jìn)作用;高于0.10的原料/溶劑固液比會促進(jìn)重金屬分離到固相;不使用添加劑,原料/溶劑固液比為0.15、反應(yīng)溫度為.320℃、反應(yīng)時間為1 h時,四種金屬固相收率分別為:90±4%(Cd)、95±5%(Cu)、100±6%(Pb)、80±6%(Zn),此時生物質(zhì)質(zhì)量減量到原料的18.8%(新鮮植物的1.9%),生物油產(chǎn)率為21.5%,高位熱值為38.1 MJ/kg,實(shí)現(xiàn)了超富集植物無害化、資源化和減量化的高效轉(zhuǎn)化。并通過分析Na2EDTA對東南景天中重金屬的萃取效果及萃取后固液兩相產(chǎn)物的質(zhì)量占比和生物質(zhì)成分,提出了一條超富集植物萃取-水熱轉(zhuǎn)化耦合工藝路線。其次,以Cu耐性植物銅草為原料開展了水熱轉(zhuǎn)化過程研究。分析了原料的含水率、元素組成和生物質(zhì)成分;考察了 2種堿性添加劑、原料/溶劑固液比、反應(yīng)時間和溫度對銅草水熱轉(zhuǎn)化的影響,;并對生物油進(jìn)行了元素分析和熱值計(jì)算。結(jié)果表明:添加劑的使用對Cu的分離無促進(jìn)作用;0.15以上的原料/溶劑固液比會促進(jìn)Cu分離到固相;不使用添加劑,原料/溶劑固液比為0.15、反應(yīng)溫度為320℃、反應(yīng)時間為20 min時,Cu的固相收率達(dá)到95土2%,此時生物質(zhì)質(zhì)量減量到原料的17.5%(新鮮植物的13.8%),生物油產(chǎn)率為25.0%,高位熱值為35.2MJ/kg,實(shí)現(xiàn)了重金屬耐性植物無害化、資源化和減量化的高效轉(zhuǎn)化。然后,以Cd低積累水稻中早39的秸稈為原料開展了水熱轉(zhuǎn)化過程研究。分析了原料的含水率、元素組成和生物質(zhì)成分;考察了 14種不同酸堿度的添加劑、原料/溶劑固液比、反應(yīng)時間和溫度對水稻秸稈水熱轉(zhuǎn)化的影響;并對生物油進(jìn)行了元素分析和熱值計(jì)算。結(jié)果表明:添加劑對水稻秸稈水熱轉(zhuǎn)化的影響不大,當(dāng)不使用添加劑時,95%以上的Cd就富集在固相殘?jiān)?提高原料/溶劑固液比會促進(jìn)Cd分離到固相;不使用添加劑,原料/溶劑固液比為0.15,反應(yīng)溫度為290 ℃、反應(yīng)時間為1h時,Cd完全富集在固相殘?jiān)?此時生物質(zhì)質(zhì)量減量到原料的22.5%(新鮮植物的21.5%),生物油產(chǎn)率為22.0%,高位熱值為36.7 MJ/kg,實(shí)現(xiàn)了重金屬低積累作物無害化、資源化和減量化的高效轉(zhuǎn)化。最后,針對水熱轉(zhuǎn)化后幾乎所有重金屬富集到固相的結(jié)果開展了重金屬的轉(zhuǎn)移機(jī)制探究實(shí)驗(yàn)。以還原性單糖(葡萄糖、果糖、木糖)和非超富集生態(tài)型東南景天為模型物質(zhì),Pb、Cd、Cu、Zn的硝酸鹽水溶液為反應(yīng)介質(zhì),在相同條件下進(jìn)行模型反應(yīng),考察了不同模型物、模型物/金屬離子摩爾比、反應(yīng)時間和多次加樣等因素對重金屬轉(zhuǎn)移的影響,最終闡明了重金屬的轉(zhuǎn)移機(jī)制。結(jié)果表明:不同模型物下,四種金屬離子的轉(zhuǎn)移率均呈現(xiàn)出CuPbCdZn的規(guī)律,與四種金屬離子的氧化性順序一致;以還原性糖為模型物質(zhì)時,四種金屬離子的轉(zhuǎn)移率隨模型物/金屬離子摩爾比的增加逐漸增大,摩爾比為600時均達(dá)到了 90%以上,而非超富集生態(tài)型東南景天始終能金屬離子完全轉(zhuǎn)移;四種金屬離子的轉(zhuǎn)移率隨反應(yīng)時間的延長逐漸增大,反應(yīng)8h后均達(dá)到了 99%,與重金屬高富集植物的水熱轉(zhuǎn)化結(jié)果一致;隨著模型物加樣次數(shù)的增加,四種金屬離子的轉(zhuǎn)移率也逐漸增大,加樣三次后均達(dá)到了 96%以上。結(jié)合重金屬高富集植物水熱轉(zhuǎn)化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,推測重金屬的轉(zhuǎn)移機(jī)制可能為:近/超臨界狀態(tài)下重金屬與金屬配位體間的配位鍵斷裂,重金屬元素由螯合態(tài)轉(zhuǎn)化為離子態(tài),而后被植物本身含有的及生物質(zhì)水熱分解產(chǎn)生的還原性物質(zhì)還原成單質(zhì)態(tài),最終富集在固相殘?jiān)小?br>【圖文】：

據(jù)２０１４年環(huán)境保護(hù)部與國土資源部聯(lián)合公布的《全國土壤污染狀況調(diào)逡逑查公報(bào)》報(bào)道［｜］，我國重金屬污染土壤點(diǎn)位超標(biāo)率高達(dá)〗６．１％，其中耕地土壤污逡逑染情況尤為嚴(yán)重，，重金屬點(diǎn)位超標(biāo)率接近１／５，面積多達(dá)２０００萬公頃，圖１．１為逡逑我國耕地重金屬污染案例區(qū)位置圖［２］。每年因土壤污染而減少的糧食產(chǎn)量超過逡逑１０００萬噸，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)１００多億元⑴。污染土壤的重金屬主要來源于人類工逡逑農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程，包括工業(yè)廢渣、廢氣排放、污水灌溉以及農(nóng)藥和磷肥等的大量施逡逑用［４］。重金屬污染物涉及Ｃｄ、Ｈｇ、Ａｓ、Ｃｕ、Ｐｂ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｎｉ等，多為多種金逡逑屬復(fù)合污染，嚴(yán)重影響土壤的生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能。這些重金屬經(jīng)食物鏈最逡逑終流入動物和人體，對動物和人體的生命和健康構(gòu)成了極大威脅。逡逑ｗ＾Ｅ逡逑＾＇７］）邐，n帕睿峰澹簀義希殄義希椋鑠義希蓿蓿蓿蓿蓿埃埃板澹耄礤五五五五義賢跡保蔽夜刂亟鶚粑廴景咐恢茫椋病垮義希玻埃保賭輳翟攏玻溉眨巴潦酢ā鍛寥牢廴痙樂渦卸蘋罰┞淶�，明日u岢鰣義銜夜雇寥牢廴局衛(wèi)磧胄薷

本文編號：2701451