【摘 要】
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随着我国城市化进程加快和人口快速增长,餐厨垃圾产量急剧增加。餐厨垃圾富含有机质和营养物质,具有污染和资源的双重属性,若有效处理可实现资源化利用。近年来水热炭化技术因具有将高含水率物料转化为含碳材料和固体燃料等优势,在餐厨垃圾资源化处理方面具有潜在的应用前景。水热炭化固相产物(水热炭)以碳为主体,并且具有孔隙结构和丰富官能团等组成结构特性,不仅实现碳固定和能源生产,还有可能对土壤等环境介质中的新型污
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随着我国城市化进程加快和人口快速增长,餐厨垃圾产量急剧增加。餐厨垃圾富含有机质和营养物质,具有污染和资源的双重属性,若有效处理可实现资源化利用。近年来水热炭化技术因具有将高含水率物料转化为含碳材料和固体燃料等优势,在餐厨垃圾资源化处理方面具有潜在的应用前景。水热炭化固相产物(水热炭)以碳为主体,并且具有孔隙结构和丰富官能团等组成结构特性,不仅实现碳固定和能源生产,还有可能对土壤等环境介质中的新型污染物进行阻控。全(多)氟烷基化合物(PFASs)是一类全球性新型污染物,土壤被认为是PFASs一类重要的“汇”,赋存于土壤的PFASs在淋溶作用下侵入地下水,造成对生态环境与人类健康的持久危害。现有研究多集中于以全氟辛烷磺酸(PFOS)和全氟辛酸(PFOA)等长链PFASs的赋存状况、浓度水平与行为机制的研究为主,鲜有关于PFASs在环境介质中阻控迁移的报道。因此,本文利用低值生物质餐厨垃圾为研究对象,选取不同碳链长度和官能团结构PFASs,开展餐厨垃圾水热碳质材料制备及其对PFASs吸附行为研究,为餐厨垃圾水热碳质材料阻控PFASs迁移的未来潜在应用提供基础理论数据支撑。主要研究内容和成果如下:(1)以转运站餐厨垃圾为实验原料,采用水热炭化法制备水热炭,水热炭通过氯化锌(Zn Cl2)高温活化法制备改性炭。运用元素组成分析、表面官能团定性、物理构象观察等表征手段,探明水热炭和改性炭的组成和结构特征。结果表明,水热炭的比表面积仅为5.54m~2/g,孔容低至0.01cm~3/g。水热炭通过Zn Cl2高温改性后孔隙结构发生显著改变,改性炭比表面积和孔容分别高达206.97 m~2/g和0.12cm~3/g,具有明显的微孔结构(V微孔/V总孔=66.67%),并且与水热炭相比,改性炭的芳香化程度增高,极性变低,有成为土壤修复材料的应用潜力。(2)由于PFASs具有较强的疏水性,可能会吸附在前处理主要使用到的容器瓶壁或滤膜上,使得PFASs分析时浓度发生损失。目前研究仅针对PFOS和PFOA等传统长链PFASs前处理过程对定量结果影响进行报道,尚缺乏短链和新型PFASs前处理过程对定量结果影响研究,因此选取C3~C6之间的短链全氟化合物、多氟化合物和在全氟碳链中具有醚键的全氟化合物为研究对象,探究前处理过程对PFASs分析结果的影响。结果表明,PFASs在聚丙烯(PP)材质离心管内吸附96 h后,发现10种PFASs 96h时浓度占初始浓度的91.88%~100.24%,吸附损失可以忽略。通过测定尼龙膜过滤前后PFASs的浓度,发现过滤前后PFASs浓度分布在1:1线附近,表明前处理中尼龙膜基本不会截留PFASs。在选用PP材质离心管和尼龙膜过滤的前处理条件下进行加标回收实验,10种PFASs的加标回收率为72.96%~122.56%,表明该方法对10种PFASs测定有良好的准确性和精密度。(3)选择兼顾官能团和碳链长度差异的PFASs作为吸附质,以餐厨垃圾改性水热炭为吸附剂,开展摇瓶吸附实验,获得表征其在固-液相分配的吸附系数,研究PFASs在餐厨垃圾改性水热炭的吸附-脱附行为。结果发现,餐厨垃圾改性水热炭对PFASs的吸附在96 h内达到吸附平衡,10种PFASs吸附分配系数(log Kd)值为1.33~5.49 L/g,PFASs碳链长度与官能团均会对log Kd产生影响。吸附动力学的研究发现,PFASs的碳链长度越长,其吸附动力学去除速率越快。10种PFASs在餐厨垃圾改性水热炭的吸附-脱附曲线存在不重合现象,表明吸附-脱附行为是不可逆的。从改性水热炭脱附滞后系数分析可以发现,除低浓度下的全氟丁酸(PFBA)和全氟2-甲基-3-氧杂己酸(HFPO-DA)脱附滞后系数在0.7~1.0的范围内,其余脱附滞后系数均小于0.7,表明10种PFASs的脱附都存在着比较显著的脱附滞后现象,因此可推测当餐厨垃圾改性水热炭加入PFASs污染土壤后,可以有效阻控PFASs淋溶带来的影响,减少PFASs带来的环境风险。
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