生物質(zhì)熱解過(guò)程中污染物遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制的解析.pdf

1、植物通過(guò)自身的生長(zhǎng)，可以從富營(yíng)養(yǎng)化水體中吸收氮磷營(yíng)養(yǎng)元素，而通過(guò)生物吸附過(guò)程，又可以吸附水中的重金屬等污染物。但是，富含污染物的植物生物質(zhì)若處理不當(dāng)，容易造成二次污染。另一方面，隨著化石能源的日益耗竭，以及其在使用過(guò)程中造成的一系列環(huán)境和氣候問(wèn)題日益引起人們的重視。從可再生、環(huán)境友好的生物質(zhì)中獲取能源及資源已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)，并且具有十分廣闊的應(yīng)用前景?？焖贌峤馐且粋€(gè)極具應(yīng)用潛力的生物質(zhì)資源化成熟技術(shù)，如果將其應(yīng)用于對(duì)污染生物質(zhì)的處置及資

2、源回收，將會(huì)具有重要的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)意義。
　　本論文系統(tǒng)研究了植物生物質(zhì)在污染物去除和熱解資源化應(yīng)用中的一些基礎(chǔ)問(wèn)題，包括生物質(zhì)表面化學(xué)修飾強(qiáng)化污染物去除，污染物在熱解過(guò)程中遷移轉(zhuǎn)化的機(jī)理，熱解生物油提質(zhì)的綠色可持續(xù)方法研究，熱解biochar功能化制備及其在環(huán)境、催化及能源儲(chǔ)存方面的應(yīng)用。論文主要的研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下:
　　1.生物質(zhì)的表面化學(xué)修飾強(qiáng)化污染物的去除:以二氯亞砜作為活化劑對(duì)EDTA進(jìn)行活化，再將其用于蒲草生物質(zhì)

3、的表面化學(xué)修飾，以增加其表面羧基和氨基功能基團(tuán)的含量，從而強(qiáng)化其對(duì)污染物的去除能力，并對(duì)污染物強(qiáng)化去除的相關(guān)機(jī)制進(jìn)行了探討。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)表面修飾的生物質(zhì)對(duì)水溶液中的鉛離子具有顯著強(qiáng)化的去除能力，其最大吸附能力達(dá)到263.9 mg/g。遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于未經(jīng)修飾的生物質(zhì)的104.5 mg/g。吸附機(jī)理主要涉及到離子交換、配位和氫鍵作用，其中離子交換作用主要是在低pH條件下起作用，而配位和氫鍵作用主要在高pH值條件下發(fā)揮作用。
　　2.生物質(zhì)

4、熱解過(guò)程中污染物的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程及其機(jī)理:將吸附了重金屬鉛的蒲草生物質(zhì)進(jìn)行熱解，分析了熱解過(guò)程中重金屬鉛的遷移，轉(zhuǎn)化和分布情況。結(jié)果表明，熱解過(guò)程中鉛的回收率受溫度的影響不明顯;在整個(gè)熱解過(guò)程，溫度從400℃升高至600℃時(shí)，鉛的回收率為98.8％以上，發(fā)現(xiàn)鉛的化合物在熱解過(guò)程中轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性很弱的氧化鉛和金屬鉛而保存在熱解殘?zhí)抗滔嘀小?br>　　以三種典型的富氮磷濕地植物為代表，研究了熱解過(guò)程中氮磷營(yíng)養(yǎng)元素的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程及其機(jī)理。結(jié)果顯示

5、，熱解所得生物油的主要成分包括酚類(lèi)、醛酮類(lèi)、羧酸類(lèi)以及一些含氮雜環(huán)或者胺類(lèi)化合物。在熱解過(guò)程中，大量的氮磷元素從有機(jī)態(tài)轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)離子態(tài)或者結(jié)合態(tài)，仍然集中在biochar中，可通過(guò)無(wú)機(jī)鹽溶液浸出的方法分級(jí)提取，其中平均76％的氮元素和57％的磷元素可以通過(guò)此法得以回收。
　　將生物質(zhì)和廢棄電子垃圾塑料以一定的比例進(jìn)行混合進(jìn)行共熱解，研究了熱解過(guò)程中溴化阻燃劑的遷移，轉(zhuǎn)化過(guò)程以及溴元素在熱解過(guò)程中的分布情況，通過(guò)TG-FTIR-MS

6、方法對(duì)溴化阻燃劑的轉(zhuǎn)化機(jī)理進(jìn)行了深入的研究。結(jié)果顯示，生物質(zhì)和WEEEs塑料在熱解過(guò)程中的協(xié)同作用可以大大提高熱解油的產(chǎn)率。機(jī)理分析表明，熱解過(guò)程中產(chǎn)生的溴元素既可以被有機(jī)組分捕獲形成溴代烴類(lèi)揮發(fā)至熱解油和氣體相中，也可以被WEEEs塑料和生物質(zhì)中的無(wú)機(jī)組分捕獲而保留在熱解殘?zhí)恐小?br>　　3.生物油品質(zhì)提升及其機(jī)理研究:提出在常溫常壓的情況下以零價(jià)活潑金屬鋅對(duì)生物油進(jìn)行原位氫化的方法。結(jié)果表明，金屬鋅對(duì)于生物油體系表現(xiàn)出良好的反應(yīng)性

7、能，可以顯著改善生物油的性質(zhì)，包括降低腐蝕性與提高穩(wěn)定性和熱值等。新生成的主要形成機(jī)理包括醛酮類(lèi)的直接氫化、生成的醇類(lèi)和生物油中有機(jī)酸的酯化以熱解木質(zhì)素碎片的氫化反應(yīng)等。
　　直接熱解具有催化作用的重金屬銅負(fù)載的生物質(zhì)，通過(guò)銅在熱解過(guò)程的催化作用，使得熱解生物油的產(chǎn)率和品質(zhì)有顯著的提升。結(jié)果表明，銅催化所產(chǎn)生物油中所含的芳香化合物比普通生物油的芳香化合物含量大為增加。機(jī)理分析表明，銅的存在能促進(jìn)生物質(zhì)中木質(zhì)素組分的分解，從而產(chǎn)生大

8、量的芳香化合物。熱解過(guò)程中，超過(guò)90％的銅元素富集在熱解殘?zhí)恐?，并可以通過(guò)灼燒的方法加以回收。
　　4.以生物質(zhì)作為原料，通過(guò)熱化學(xué)方法合成功能碳材料:以廢棄木屑生物質(zhì)為原料，從海水中吸附氯化鎂，再進(jìn)行熱解合成介孔碳負(fù)載的氧化鎂納米顆粒，并將合成的材料用于二氧化碳的捕集。材料對(duì)二氧化碳的最大捕集量可以達(dá)到5.45 mol/kg。二氧化碳的捕集機(jī)理主要涉及物理吸附和化學(xué)相互作用，其中的物理吸附作用隨著溫度的升高而減弱，而化學(xué)相互作用

9、主要包括氫鍵作用以及二氧化碳和氧化鎂的化學(xué)反應(yīng)，是二氧化碳捕集的主要貢獻(xiàn)。
　　將生物質(zhì)吸附一定量的氯化鐵，通過(guò)快速熱解獲得磁性多孔碳材料，以此為前體，通過(guò)磺化反應(yīng)合成磁性固體酸材料，并將其用于催化有機(jī)反應(yīng)。結(jié)果表明，氯化鐵的存在可以催化促進(jìn)熱解過(guò)程中碳材料的微孔和介孔的生成，而以此法合成的磁性固體酸具有高比表面積和酸強(qiáng)度，并且具有易分離性，高催化活性和循環(huán)穩(wěn)定性。
　　以富氮的濕地植物蒲草為原料，通過(guò)快速熱解和KOH活化的