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https://journal.hep.com.cn/fese/EN/10.1007/s11783-021-1488-1
文章出版：Front. Environ. Sci. Eng. 2022, 16(7): 85
原文信息
題目：
Co-pyrolysis of sludge and kaolin/zeolite in a rotary kiln: Analysis of stabilizing heavy metals
作者：
Qian Li, Zhaoping Zhong (✉), Haoran Du, Xiang Zheng, Bo Zhang, Baosheng Jin
作者單位：
Southeast University, China
通訊作者郵箱：
zzhong@seu.edu.cn
關(guān)鍵詞：
Co-pyrolysis (共熱解);
Sewage sludge (污水污泥);
Heavy metals (重金屬);
Rotary kiln (回轉(zhuǎn)窯)；
Immobilization mechanism (固定機(jī)理)
文章亮點(diǎn)
• 高嶺土/沸石的加入促進(jìn)穩(wěn)定重金屬的形成；
• 共熱解生物炭的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)較低；
• 提高熱解溫度可降低重金屬的浸出毒性；
• 生物炭的毒性會(huì)隨著穩(wěn)定重金屬含量的增加而降低。
文章簡(jiǎn)介
污泥作為一種典型的固體廢物，含有大量的重金屬、病原體和有機(jī)污染物，存在一定的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。與傳統(tǒng)的污泥處理方法相比，熱解是一種很有前途的處理技術(shù)。其中，生物炭是污泥熱解的主要產(chǎn)物，對(duì)土壤的修復(fù)具有一定作用。但在施用生物炭的過程中，其所富含的重金屬可能會(huì)滲入到滲濾液，給土壤帶來二次污染。前人研究發(fā)現(xiàn)，越穩(wěn)定的重金屬越不容易被生物體所利用，其毒性和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)越低。因此，關(guān)于如何高效固定重金屬的研究受到廣泛的關(guān)注。作為環(huán)境友好的無機(jī)礦物，高嶺土和沸石可通過物理吸附或者形成金屬硅酸鹽和鋁硅酸鹽實(shí)現(xiàn)對(duì)重金屬的固定。然而，目前高嶺石/沸石在熱解過程中吸附和穩(wěn)定重金屬的研究較少，特別是在生物碳中重金屬的固定應(yīng)用以及固定化機(jī)理有待系統(tǒng)探索。
鑒于此，為進(jìn)一步提高污泥熱解生物碳對(duì)重金屬的固定程度，作者以污泥或污泥混合高嶺土/沸石為原料，在回轉(zhuǎn)窯中混合熱解制備生物炭。文中分析了高嶺土/沸石對(duì)熱解生物炭中重金屬(Cu、Zn、Cd、Pb和Cr)的總濃度、形態(tài)分布、浸出毒性和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的影響，揭示了共熱解過程中重金屬的固定機(jī)理。文章通過X射線衍射(XRD)和掃描電子顯微鏡（SEM）的分析，發(fā)現(xiàn)熱解溫度的升高和添加劑的加入均有利于形成穩(wěn)定的重金屬。此工作證實(shí)了熱解可以有效富集和穩(wěn)定污泥中的重金屬。例如，650℃的生物炭中穩(wěn)定重金屬的比例分別為54.50%（銅）、29.73%（鋅）、79.29%（鎘）、68.17%（鉛）和86.70%（鉻），污染風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)降至17.01，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較低。添加7%高嶺土/沸石后，其風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)降至10.86/15.28。研究表明，穩(wěn)定的重金屬礦物的形成是熱解生物炭中重金屬固定化的關(guān)鍵。
本研究提出如下反應(yīng)機(jī)理：一定范圍內(nèi)，溫度的升高使生物炭的比表面積和孔徑增大，有利于重金屬的固定；其次，吸附性能優(yōu)良的鋁硅酸鹽添加劑可捕獲污泥熱解過程中所釋放的重金屬。重金屬離子與添加劑中的氧離子反應(yīng)生成硅酸鹽和鋁酸鹽(如CuAl2O4和PbSiO3)，使重金屬從不穩(wěn)定組分(硫酸鹽、氯化物等)轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定組分(硅酸鹽、鋁酸鹽等)，提高了重金屬的固定效率。該工作加深了高嶺土/沸石與污泥共熱解穩(wěn)定重金屬的理解，為設(shè)計(jì)高效處理污水污泥的熱解技術(shù)提供了新的理論指導(dǎo)。
文章摘要圖
編委點(diǎn)評(píng)
工業(yè)廢水和生活污水大量排放，處理這些污水伴隨著大量污泥的產(chǎn)生，帶來嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。因此，開發(fā)高效處理污泥的技術(shù)至關(guān)重要。熱解作為一種環(huán)境友好的技術(shù)，可以顯著減少污泥體積，殺滅病原體，在污泥的實(shí)際處理中受到廣泛關(guān)注。本工作探索了添加劑（高嶺土/沸石）與污泥混合共熱解過程產(chǎn)生的生物炭對(duì)重金屬的穩(wěn)定作用。分析了溫度和添加劑對(duì)生物炭穩(wěn)定重金屬的影響，推測(cè)了添加劑（高嶺土/沸石）與污泥共熱解過程中重金屬固定的潛在機(jī)理，為高效熱解污泥過程中重金屬的穩(wěn)定提供了新的方向。同時(shí)，本研究采用了小型回轉(zhuǎn)窯對(duì)污泥進(jìn)行熱解，為以后的實(shí)際應(yīng)用提供了更好的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
編者 | 于穎
點(diǎn)評(píng) | 李陽
致 謝
李陽，北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院教授，國(guó)家級(jí)青年人才計(jì)劃入選者，中國(guó)科協(xié)“青年人才托舉工程”入選者。FESE青年編委，研究方向?yàn)樗行挛廴疚锏倪w移轉(zhuǎn)化，主持重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題和國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目等8項(xiàng)，在ACS nano, Environ. Sci. Technol. 和Water Res.等雜志發(fā)表SCI論文70余篇。ESI高被引論文7篇。個(gè)人主頁：
http://envfaculty.bnu.edu.cn/Public/htm/news/5/15.html
于穎，女，23歲，北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院2021級(jí)環(huán)境工程專業(yè)碩士生，導(dǎo)師為李陽教授，研究方向?yàn)榧{米材料的遷移轉(zhuǎn)化與生態(tài)效應(yīng)。
