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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
题目：
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
作者单位：
Southeast University, China
通讯作者邮箱：
zzhong@seu.edu.cn
关键词：
Co-pyrolysis (共热解);
Sewage sludge (污水污泥);
Heavy metals (重金属);
Rotary kiln (回转窑)；
Immobilization mechanism (固定机理)
文章亮点
• 高岭土/沸石的加入促进稳定重金属的形成；
• 共热解生物炭的潜在生态风险指数较低；
• 提高热解温度可降低重金属的浸出毒性；
• 生物炭的毒性会随着稳定重金属含量的增加而降低。
文章简介
污泥作为一种典型的固体废物，含有大量的重金属、病原体和有机污染物，存在一定的环境风险。与传统的污泥处理方法相比，热解是一种很有前途的处理技术。其中，生物炭是污泥热解的主要产物，对土壤的修复具有一定作用。但在施用生物炭的过程中，其所富含的重金属可能会渗入到渗滤液，给土壤带来二次污染。前人研究发现，越稳定的重金属越不容易被生物体所利用，其毒性和生态风险越低。因此，关于如何高效固定重金属的研究受到广泛的关注。作为环境友好的无机矿物，高岭土和沸石可通过物理吸附或者形成金属硅酸盐和铝硅酸盐实现对重金属的固定。然而，目前高岭石/沸石在热解过程中吸附和稳定重金属的研究较少，特别是在生物碳中重金属的固定应用以及固定化机理有待系统探索。
鉴于此，为进一步提高污泥热解生物碳对重金属的固定程度，作者以污泥或污泥混合高岭土/沸石为原料，在回转窑中混合热解制备生物炭。文中分析了高岭土/沸石对热解生物炭中重金属(Cu、Zn、Cd、Pb和Cr)的总浓度、形态分布、浸出毒性和潜在生态风险指标的影响，揭示了共热解过程中重金属的固定机理。文章通过X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜（SEM）的分析，发现热解温度的升高和添加剂的加入均有利于形成稳定的重金属。此工作证实了热解可以有效富集和稳定污泥中的重金属。例如，650℃的生物炭中稳定重金属的比例分别为54.50%（铜）、29.73%（锌）、79.29%（镉）、68.17%（铅）和86.70%（铬），污染风险指数降至17.01，生态风险较低。添加7%高岭土/沸石后，其风险指数降至10.86/15.28。研究表明，稳定的重金属矿物的形成是热解生物炭中重金属固定化的关键。
本研究提出如下反应机理：一定范围内，温度的升高使生物炭的比表面积和孔径增大，有利于重金属的固定；其次，吸附性能优良的铝硅酸盐添加剂可捕获污泥热解过程中所释放的重金属。重金属离子与添加剂中的氧离子反应生成硅酸盐和铝酸盐(如CuAl2O4和PbSiO3)，使重金属从不稳定组分(硫酸盐、氯化物等)转化为稳定组分(硅酸盐、铝酸盐等)，提高了重金属的固定效率。该工作加深了高岭土/沸石与污泥共热解稳定重金属的理解，为设计高效处理污水污泥的热解技术提供了新的理论指导。
文章摘要图
编委点评
工业废水和生活污水大量排放，处理这些污水伴随着大量污泥的产生，带来严重的环境污染问题。因此，开发高效处理污泥的技术至关重要。热解作为一种环境友好的技术，可以显著减少污泥体积，杀灭病原体，在污泥的实际处理中受到广泛关注。本工作探索了添加剂（高岭土/沸石）与污泥混合共热解过程产生的生物炭对重金属的稳定作用。分析了温度和添加剂对生物炭稳定重金属的影响，推测了添加剂（高岭土/沸石）与污泥共热解过程中重金属固定的潜在机理，为高效热解污泥过程中重金属的稳定提供了新的方向。同时，本研究采用了小型回转窑对污泥进行热解，为以后的实际应用提供了更好的实验依据。
编者 | 于颖
点评 | 李阳
致 谢
李阳，北京师范大学环境学院教授，国家级青年人才计划入选者，中国科协“青年人才托举工程”入选者。FESE青年编委，研究方向为水中新污染物的迁移转化，主持重点研发计划课题和国家自然科学基金面上项目等8项，在ACS nano, Environ. Sci. Technol. 和Water Res.等杂志发表SCI论文70余篇。ESI高被引论文7篇。个人主页：
http://envfaculty.bnu.edu.cn/Public/htm/news/5/15.html
于颖，女，23岁，北京师范大学环境学院2021级环境工程专业硕士生，导师为李阳教授，研究方向为纳米材料的迁移转化与生态效应。
