植物修复植物与浮萍共热解的新发现：磷与多种金属之间的相互作用机制

《Biomass and Bioenergy》：New sight on co-pyrolysis of phytoremediation plant and duckweed: The interaction mechanisms between phosphorus and multi-metals

　　

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  共热解为植物修复生物质的有效利用提供了一种新策略。
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  添加水（DW）改变了生物炭的结构并促进了磷的重新分布。
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  磷酸盐和焦磷酸盐相有助于锌（Zn）和铅（Pb）的稳定。
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  重金属的浸出表现出非单调的温度响应。

引言

由于采矿活动的加剧、农业活动和工业排放，土壤受到重金属污染已成为一个日益严重的环境问题。与许多有机污染物不同，重金属具有持久性、不可生物降解性，并且能够在食物链中积累，从而威胁生态系统功能、作物产量和人类健康[1,2]。传统的修复技术，包括土壤替换、化学淋溶和原位稳定化，可以迅速降低污染物浓度，但其大规模应用往往受到高能耗和化学品消耗[3]、二次废物产生以及土壤结构破坏[4]的限制。植物修复作为一种原位且相对低成本的替代方案，受到了越来越多的关注，因为它对土壤的干扰较小且环境相容性良好[5]。然而，回收的生物质中含有从受污染土壤中提取的金属。如果这些生物质未经适当处理就被填埋、堆肥或任其分解，积累的金属可能会再次释放，导致二次污染[6]。因此，安全处理和资源化利用植物修复生物质对于这项技术的可持续应用至关重要[7]。

目前富含金属的生物质处理方法主要包括填埋、堆肥、淋溶、焚烧和热解[8]。填埋和堆肥无法完全防止金属的长期再迁移，而淋溶通常需要大量的试剂投入并会产生含金属的废水。焚烧和气化可以回收能量，但在高温下挥发性金属可能会重新分布到烟气和灰烬中[9]。热解提供了一个更为合适的处理方法，因为它在缺氧且相对封闭的系统中转化生物质，减小了其体积，并将大部分金属保留在固体产物中[10]。先前的研究表明，热解温度和停留时间显著影响金属的分配和形态[11]。例如，温度的升高促进了镉（Cd）从可交换形式向稳定性更强的形式的转化，而较长的停留时间可能会增加挥发性金属的释放[12]。缓慢热解据报道可以保留大约99%的镍（Ni）和98%的锌（Zn）在炭中，而快速热解的保留率则明显较低[13]。这些发现表明，评估金属的固定作用不能仅基于总保留量，还必须考虑化学形态、淋溶行为和生物可利用性。

与富含矿物质的生物质或固体废物共热解可能通过灰分成分、表面官能团和矿物相重构的作用进一步调节重金属的转化[14]。Khan等人也证明了无机相在共热解过程中的调控作用，他们发现负载了CeO₂的MgNiAl水滑石催化剂显著改变了煤-藻类共热解的动力学行为，并降低了相应的活化障碍[15]。磷尤为重要，因为磷酸盐物种可以与铅（Pb）、镉（Cd）、锌（Zn）和其他金属反应形成溶解度较低的矿物相。据报道，含磷的热解可以使受污染生物质中的铅（Pb）固定超过95%，并将炭中的镉（Cd）回收率提高到90%以上[16]。然而，直接添加含磷化学品会增加处理成本和复杂性，可能会降低生物处理的整体可持续性[17]。富含磷的生物质可以提供内源性磷来源，同时解决另一个废物管理问题。浮萍（DW）广泛用于废水处理[18]，生长迅速，并能积累大量的磷和无机矿物质[19]。富含矿物质的原料的热转化程度严重依赖于热解温度。Naqvi等人研究了高灰分污泥的热解过程，发现不同温度范围内原料的热行为存在显著差异[20]。先前的共热解研究（涉及污泥或其他富含磷的原料）表明，含磷的灰分可以促进金属的保留和稳定[21]。然而，天然富含磷的浮萍对磷酸盐重新分布、矿物相演变以及植物修复生物质中多种 metals 的形态和环境迁移性的影响尚不完全清楚。

在本研究中，杨树和浮萍在不同温度和混合比例下进行了共热解。对得到的生物炭进行了表征，以研究表面官能团、矿物相、 morphology 和元素组成的变化。进一步进行了顺序提取、TCLP 和 DTPA 测试，以评估磷的转化、重金属的形态、淋溶迁移性和生物可利用性。本研究旨在阐明共热解过程中磷的重新分布与重金属形态之间的耦合关系，从而揭示内源性磷在锌（Zn）、镉（Cd）和铅（Pb）稳定中的作用。

章节片段

材料

杨树（PL）是一种常用的植物修复物种，用于处理重金属污染的土壤，作为主要原料。PL 生物质取自中国湖南省郴州市的一个修复现场。浮萍（DW）是一种富含磷的水生植物，常用于废水处理，作为共热解的辅助原料，由成都生物研究所提供。收集后，这两种材料均用去离子水彻底冲洗，并使用粉碎机进行粉碎

生物炭的特性

如图2(a)所示，PL-30%-DW 在 400-700°C 下的热解炭的 FT-IR 光谱显示，随着温度的升高，表面官能团发生了显著变化。在 400°C 时，3700-3020?cm^?1处的宽频带对应于 -OH 和 -NH 基团的伸缩振动，表明其中含有丰富的氧和氮官能团[26]。大约在 2923、1700、1600、1430、1317 和 1104?cm^?1 处的峰与脂肪族 -CH₂、C=O、芳香族 C=C 和 -COO^- 基团相关

结论

在这项研究中，杨树（PL）与浮萍（DW）在不同温度和混合比例下进行了共热解。主要结论如下：

热解温度和 DW 混合比例影响了生物炭的表面官能团、形态和结晶矿物相。初步识别出 C-O-P 结构以及多种含锌（Zn）和铅（Pb）的磷酸盐相，而在较高温度下裂纹和孔状特征变得更加明显。

在原始的 PL 样品中，76.16% 的锌（Zn）和近 80% 的镉（Cd）

CRediT 作者贡献声明

李庚：撰写——原始草稿，研究。 程伟：撰写——原始草稿，方法论。 何云yi：撰写——审阅与编辑，数据管理。 江浩：软件支持。 杨海平：验证，项目管理。 陈汉平：监督，资源协调。 张世红：撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了 荆津济区域环境综合整治-国家重点科技项目 [项目编号：2025ZD1202600] 和 国家杰出青年科学基金 [项目编号：52125601] 的财政支持。作者感谢华中科技大学分析测试中心在样品测试方面提供的帮助。

李庚|程伟|何云yi|江浩|杨海平|陈汉平|张世红