CN103394505B - 一种利用植物控制修复土壤并产生生物燃料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种利用植物控制修复土壤并产生生物燃料的方法，其方法是在受污染的金属矿区土壤上种植富含纤维素、木质素的生长速度快经济作物，该类作物在快速生长过程中能够吸收富集土壤中的重金属，收割后将经济作物移走，并通过热化学、催化转化等技术转化为生物乙醇燃料，同时能将作物吸收富集的重金属提取出来另行处理，剩余的固体残渣热解炭化形成生物炭回用于矿区土地，吸附土壤中的重金属和有机污染物，逐渐使污染土壤得到修复改良。本发明的方法大大降低了土壤修复的成本、达到梯级利用与循环利用、生态环保的目的。
Description
技术领域
本发明涉及土壤修复和生物燃料领域，具体的涉及一种利用植物控制修复土壤并产生生物燃料的方法。
背景技术
随着化石能源资源的日益减少及世界对能源的愈发强劲的需求，开发可再生能源，如生物质能源已成为当前及未来的几十年的必由之路。据预测，未来十年，全球生物质能产量将翻番。到2022年，欧盟仍然是全球最主要的生物柴油生产和消费国，生物柴油的比例将占欧盟的45%，燃料乙醇的比例也将占据美国的48%。2022年，发展中国家生物乙醇产量预计增长2/3，其中有80%的增长都来自巴西，剩余20%中有很大一部分来自印度和中国。原来的生物燃料的原料主要来自玉米、甘薯、高粱、小麦、糖料和各种油籽等农产品，但由此引发了对粮食作物用于非粮用途的粮食安全的担忧，燃料乙醇被指责为“与民争粮”、“与粮争地”。目前中国已禁止新建粮食乙醇（第1代）项目，重点发展非粮食燃料乙醇(第1.5代)，并努力实现纤维素乙醇(第2代)的产业化生产，因此未来新增燃料乙醇的原料将以富含纤维素、木质素的经济作物及农林废弃物为主。
另一方面，长期以来由于大量有色金属矿产资源的开发导致生态破坏严重。金属矿的采、选、冶往往造成矿区及周边地区植被破坏、水土流失加剧、土壤重金属污染严重、土地生产力下降或消失，环境问题突出。农田土壤重金属污染可以通过水体和食物链传递对人体健康产生危害。另据中国水稻研究所与农业部稻米及制品质量监督检验测试中心曾在2010年发布报告：中国五分之一的耕地受到了重金属污染，其中镉污染的耕地涉及11个省25个地区。因此如何有效控制矿区环境污染，修复污染土壤及环境，综合开发利用矿区废弃地，是关系到矿区可持续发展和保障人体健康的重大命题。针对金属矿山废弃地开展生态恢复和污染控制，国内外已经开展了大量的研究。目前国际上控制矿区污染的主要途径有：①通过植物固定机制降低污染物迁移；②通过植物提取技术去除环境中重金属；③通过化学改良优化土壤环境条件，从而促进植物生长。在化学改良剂（修复剂）方面，目前的研究主要围绕废弃地土壤肥力改良和重金属污染控制等方面开展模拟试验和野外示范。尽管这些方法都有一定的应用前景，但是都比较单一，而且存在花费时间长，经济效益低等问题。同时为了保证恢复生态系统的稳定性，国际上也开始关注污染土壤植被恢复过程中生物多样性的设计与优先调控技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用植物生长控制修复土壤污染，并联产生物燃料和生物炭的技术方法。
为实现上述目的， 本发明提供一种利用植物控制修复土壤并产生生物燃料的方法，其特征在于，包括如下步骤，
植物种植：在受污染的金属矿区土壤上种植富含纤维素、木质素的生长速度快的经济作物；
植物收割：进行植物收割；
收割后的植物处理：收割后的植物进行热解得到生物炭和热解油，热解油进一步催化加氢得到生物燃料油；
进一步地，用一定浓度的盐酸或硝酸浸渍所述生物炭，浸渍一段时间后，利用真空过滤器使炭化料与酸溶液分离，处理后的生物炭用清水冲洗后回用于矿区土地吸附固定土壤中的重金属和有机污染物，逐渐使污染土壤得到修复改良；浸渍后的酸溶液中即为含有重金属的溶液。
所述经济作物是柳属植物。所述经济作物是竹子或甘蔗等。
所述受污染的金属矿区是有色金属矿区污染土地。所述受污染的金属矿区是铜矿、银锡矿、铝矿、钨矿、铊矿等。
所述收割后的植物处理是指将收割后的植物切成0.5-1.0m的长段后放入固定床热解炉中，在400-600℃条件下热解1-6h，通过间接换热器冷却收集热解油，剩下的为生物碳，进一步将热解油催化加氢得到生物燃料油；进一步地，取所述生物炭1kg，粉碎为1mm-5mm的粒径，然后用0.5%-10%浓度的盐酸或硝酸浸渍4-48h，生物炭与酸溶液的重量体积比为1g:10-20l，再利用真空过滤器使炭化料与酸溶液分离，处理后的炭化料使用清水冲洗3-5遍，自然风干。
所述催化加氢为取200ml的热解油放入容积为500ml的带有搅拌和水冷却功能的加压容器罐中，同时加入5-10g的Co-Mo-P系催化剂和10-50ml的萘满溶剂，密封好容器罐；通入H2使容器罐内压力达到2.2MPa后，以5℃/min的升温速率将容器罐加热到350℃并保持20-40min，最后降温到40℃以下并减压到常压后，打开容器罐取出反应产物。
本发明的方法是在受污染的金属矿区土壤上种植富含纤维素、木质素的生长速度快经济作物，该类作物在快速生长过程中能够吸收富集土壤中的重金属，收割后将经济作物移走，并通过热化学、催化转化等技术转化为生物乙醇燃料，同时能将作物吸收富集的重金属提取出来另行处理，剩余的固体残渣热解炭化形成生物炭回用于矿区土地，吸附土壤中的重金属和有机污染物，逐渐使污染土壤得到修复改良。
本发明的特点是：既能通过种植经济作物吸收富集土壤中的重金属，使重金属转移到作物体内，又能利用收割的作物生产生物乙醇燃料产生经济效益，还能利用作物残渣热解炭化形成的生物炭回用于矿区土地，吸附土壤中的重金属和有机污染物，使其得到富集固化，大大降低了土壤修复的成本；达到梯级利用与循环利用、生态环保的目的。
附图说明
图1是本发明的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
实施例1：
植物种植：在受污染的镉矿金属矿区土壤上种植竹子；采用移栽方式种植。按照竹子的一般种植方式进行种植。
植物收割： 移栽3-5年后采用机械化方式进行收割。
收割后的植物处理：
收割后的竹子切成0.5-1.0m的长段、放入固定床热解炉中，在400-600℃条件下热解1-6h得到生物炭和热解油，热解油通过间接换热器冷却收集，热解油再进一步催化加氢得到生物燃料油，生物油的产率能够达到原生物质质量的40-70%。催化加氢步骤和条件：取200ml的热解油放入容积为500ml的带有搅拌和水冷却功能的加压容器罐中，同时加入5-10g的Co-Mo-P系催化剂和10-50ml的萘满溶剂，密封好容器罐；通入H2使容器罐内压力达到2.2MPa后，以5℃/min的升温速率将容器罐加热到350℃并保持20-40min，最后降温到40℃以下并减压到常压后，打开容器罐取出反应产物即为生物燃料油。
同时将吸收富集的重金属提取出来：取热解炭化处理得到的生物炭1kg，粉碎为1mm-5mm的粒径，用0.5%-10%浓度的盐酸或硝酸浸渍，生物炭与酸溶液的重量体积比例为1g:10-20l，浸渍4-48小时后，利用真空过滤器使炭化料与酸溶液分离，处理后的炭化料使用清水冲洗3-5遍，自然风干后备用。生物炭洗脱液中重金属的测定采用原子吸收光谱仪测定，测得的镉的溶出量为0.1-0.2mg/kg 生物炭。
实施例2：
植物种植：在受污染的钨矿金属矿区土壤上种植甘蔗；采用移栽方式种植。按照甘蔗的一般种植方式进行种植。
植物收割： 移栽1年后采用机械化方式进行收割。
收割后的植物处理：
收割后的甘蔗切成0.5-1.0m的长段、放入固定床热解炉中，在400-600℃条件下热解1-6h得到生物炭和热解油，热解油通过间接换热器冷却收集，热解油再进一步催化加氢得到生物燃料油，生物油的产率能够达到原生物质质量的40-70%。催化加氢步骤和条件：取200ml的热解油放入容积为500ml的带有搅拌和水冷却功能的加压容器罐中，同时加入5-10g的Co-Mo-P系催化剂和10-50ml的萘满溶剂，密封好容器罐；通入H2使容器罐内压力达到2.2MPa后，以5℃/min的升温速率将容器罐加热到350℃并保持20-40min，最后降温到40℃以下并减压到常压后，打开容器罐取出反应产物即为生物燃料油。
同时将吸收富集的重金属提取出来：取热解炭化处理得到的生物炭1kg，粉碎为1mm-5mm的粒径，用0.5%-10%浓度的盐酸或硝酸浸渍，生物炭与酸溶液的重量体积比例为1g:10-20l，浸渍4-48小时后，利用真空过滤器使炭化料与酸溶液分离，处理后的炭化料使用清水冲洗3-5遍，自然风干后备用。生物炭洗脱液中重金属的测定采用原子吸收光谱仪测定，测得的钨的溶出量为0.05-0.15mg/kg 生物炭。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (1)
1.一种利用植物控制修复土壤并产生生物燃料的方法，其特征在于，包括如下步骤，
植物种植：在受污染的金属矿区土壤上种植富含纤维素、木质素的生长速度快的经济作物；
植物收割：进行植物收割；
收割后的植物处理：收割后的植物进行热解得到生物炭和热解油，热解油进一步催化加氢得到生物燃料油；
进一步地，用一定浓度的盐酸或硝酸浸渍所述生物炭，浸渍一段时间后，利用真空过滤器使炭化料与酸溶液分离，处理后的生物炭用清水冲洗后回用于矿区土地吸附固定土壤中的重金属和有机污染物，逐渐使污染土壤得到修复改良；浸渍后的酸溶液中即为含有重金属的溶液；
所述经济作物是柳属植物，或所述经济作物是竹子或甘蔗；
所述受污染的金属矿区是有色金属矿区污染土地；所述受污染的金属矿区是铜矿、银锡矿、铝矿、钨矿、铊矿；
所述收割后的植物处理是指将收割后的植物切成0.5-1.0m的长段后放入固定床热解炉中，在400-600℃条件下热解1-6h，通过间接换热器冷却收集热解油，剩下的为生物炭，进一步将热解油催化加氢得到生物燃料油；进一步地，取所述生物炭1kg，粉碎为1mm-5mm的粒径，然后用0.5%-10%浓度的盐酸或硝酸浸渍4-48h，生物炭与酸溶液的重量体积比为1g:10-20l，再利用真空过滤器使炭化料与酸溶液分离，处理后的炭化料使用清水冲洗3-5遍，自然风干；
所述催化加氢为取200ml的热解油放入容积为500ml的带有搅拌和水冷却功能的加压容器罐中，同时加入5-10g的Co-Mo-P系催化剂和10-50ml的萘满溶剂，密封好容器罐；通入H2使容器罐内压力达到2.2MPa后，以5℃/min的升温速率将容器罐加热到350℃并保持20-40min，最后降温到40℃以下并减压到常压后，打开容器罐取出反应产物。
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