《能源环境保护》“固废资源化及污染防控技术”专题

来源：能源环境保护

长江经济带固废污染治理是长江生态环境保护修复攻坚战中的重要工作内容。为深入了解沿江省市固废的综合治理与碳排放情况,运用数据统计分析和模型预测等方法,对生活垃圾和市政污泥等典型固废的产生量特性、处理处置特征及其综合环境影响(以碳排放计)进行定量分析。

行业视野: 环境保护
类别; 85个
关键词; 87位
专家; 18篇
论文; 627IP
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工业有机固废气化技术的研究进展

作者(Author)：王旭, 罗振兴, 夏志鹏, 郭倩倩, 胡艳军

摘要：气化是解决工业有机固废高效清洁处置利用的重要技术,近年来被广泛使用,尤其在污染物减排和能源化再利用方面发挥着积极作用。通过维持还原性气氛实现气化反应,可将工业有机固废中的有机组分转化为高热值合成气。实施工业有机固废资源再生利用可以缓解对传统能源和化工原料的需求,有利于实现循环经济和可持续发展。从气化过程的影响因素、协同反应机制、产物预测等方面入手,着重综述了工艺参数、气化炉类型等对工业有机固废气化过程的影响规律,阐述了多元物料组分共气化过程中的协同作用机理。最后,梳理了近年来工业有机固废气化领域的研究重点,并提出了未来的研究方向,包括借助现代原位表征技术构建完整的协同反应路径,结合密度泛函理论解析共气化过程中的多反应耦合作用机制,利用机器学习优化工业有机固废气化的工艺参数,以及开展工业有机固废共气化的生命周期评价等。

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2024年第05期

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人造矿石固化核废物进展与展望

作者(Author)：王越, 陈迪云, 孔令军

摘要：发展核电是实现国家“双碳”目标、推动产业结构转型升级的重要途径。核能资源开采、利用和后处理产生核废物,由于其半衰期长,对环境造成潜在危害,因此构建多重屏障以安全有效地处置核废物是避免环境风险的重要措施。固化预处理是核废物处置的首要屏障。人造矿石固化核废物因具有耐辐照、高稳定性、低增容比的特点,被认为是构建核废物固化首要屏障的理想方法。综合论述了人造矿石固化核废物的研究进展,系统阐述了人造矿石固化放射性核素的方法和矿石类型,并结合人造矿石形成的结构和理化特征,阐明人造矿石固化放射性核素的机制,提出了适合不同放射性核素固化的人造矿石类型和方法。同时,分析了固化放射性核素辐照对人造矿石晶相结构特征和稳定性的影响,为人造矿石固化放射性核素的策略提供了重要的科学支撑,为实际应用奠定了重要的理论基础。

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2024年第05期

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生物质废弃物催化制备果糖和乳酸研究进展

作者(Author)：王雨轩, 国芬芬, 江志成, 唐傲屹, 梁媛, 孔令照

摘要：化石能源的巨大消耗和环境意识的提高引发了全球对绿色、低碳和可再生能源的需求。有机固废资源化是实现绿色循环发展的重要内容。生物质废弃物具有存量大、成本低的特点,是解决能源和环境问题的重要可再生材料。作为生物质的主要结构单元,葡萄糖的高效转化利用是生物质废弃物“变废为宝”的关键步骤之一。为推进生物质废弃物向下游化学品高值高质转化,综述了生物质废弃物催化转化的处理过程及其产物特性,并重点总结了生物质主要水解产物葡萄糖催化转化制备果糖及乳酸的研究进展和技术难点。同时,对比了不同催化剂材料和催化条件对葡萄糖生产果糖和乳酸的产率和选择性的影响,分析了不同转化方法的优缺点。针对当前研究领域面临的问题和挑战,提出了重点突破方向,以期为实际有机固废的资源化处理提供指导。

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2024年第05期

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基于机器学习的废塑料热解制燃料模型构建研究

作者(Author)：谌思罕, 袁志龙, 王晔, 孙轶斐

摘要：废塑料热解制油(如航空燃料)与合成气(一氧化碳和氢气)是回收利用废塑料的重要途径。原料类型、工况条件等因素对热解产物产生重要影响,这使得热解过程的反应机理较为复杂,需通过大量实验数据探究反应规律,且实验成本高。机器学习具有数据处理量大、便于提炼统计规律的优势,可降低成本与研究难度。因此,基于多种机器学习算法,利用以无催化和分子筛催化剂催化为主体的数据构建模型,对原料热解进行研究。结果表明,在选取的几种模型中,梯度提升回归算法(GBR)对热解油产率的预测具有最好的拟合性能(R2=0.91,RMSE=7.78),而自适应提升算法(AdaBoost)对热解气产率的预测具有最好的拟合性能(R2=0.83,RMSE=6.42),因此用于预测反应条件。通过排列重要性分析与单依赖性分析,在加热速率约为20℃/min、温度为500℃时,油料的产率较高。同时,对热解油产率与反应温度、加热速率和反应时间3个条件进行了双依赖性分析。量化了加热速率、热解温度等反应条件对废塑料热解油气产率的影响,为废塑料回收的生产实践提供了理论基础。

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2024年第05期

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多源有机固废热解特性研究与预测分析

作者(Author)：张子杭, 邢博, 马中青, 胡艳军, 张志霄, 袁世震, 卢如飞, 陈颖泉, 王树荣

摘要：通过实验方法测定多源有机固废的热化学转化特性通常是耗时且劳力密集的过程,借助机器学习的方法可以挖掘不同原料特性与基本热化学转化特性之间的关联机制,并快速进行预测分析。构建了一个综合数据库,其中包含38种工业有机固废基本特性及热解特性信息。通过描述性统计分析、相关性分析以及主成分分析(PCA),深入探究了数据库的总体规律。进一步采用随机森林(RF)、梯度提升树(GBDT)和极限梯度提升树(XGBoost)算法对有机固废高位热值(HHV)、快速热解产物分布和不同气氛下热失重曲线进行预测,其中对HHV、热解产物分布和热失重曲线预测的R2分别在0.835~0.866、0.701~0.875和0.976~0.980范围内。最后,基于树模型的平均杂质减少(MDI)和SHapleyAdditiveexPlanations(SHAP)方法对建模结果进行可解释性分析,筛选出在模型决策过程中起关键作用的特征,并揭示了原料基本特性与HHV、热解产物分布及热解特性之间的关联,旨在为实际有机固废的智能管理与高效处置提供一定的指导。

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2024年第05期

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三乙烯四胺循环浸出废铅膏中硫酸铅的性能研究

作者(Author)：陈彪, 黄明, 曹靖, 张俊丰

摘要：废铅膏资源化是再生铅产业的重点,传统的火法熔炼存在能耗高和污染重的问题。湿法转化是一种绿色低碳的废铅膏资源化技术,但硫酸铅(PbSO4)的浸出效率和浸出剂的循环利用仍需要进一步改善。以三乙烯四胺(TETA)作为浸出剂,开展了TETA对废铅膏中PbSO4的循环浸出研究。通过响应曲面法建立了有效浸出模型,优化了浸出反应参数,当n(TETA/PbSO4)为1.3,反应时间为11min,液固质量比为2,反应温度为30℃时,PbSO4浸出率预测值为99.99%,实际值为99.93%。该过程反应速率受界面化学反应步骤控制,PbSO4浸出反应的表观活化能为47.5kJ/mol。另外,利用Na2CO3从TETA⁃Pb溶液中可制取杂质含量仅为0.0204%的高纯度PbCO3,并同时实现TETA的再生循环,对PbSO4的10次循环浸出率可保持在90%以上。研究结果可为废铅膏的高值化利用提供参考。

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2024年第05期

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负载方法对磁性生物炭特性的影响

作者(Author)：孔天岐, 王涵, 张万里

摘要：生物炭负载纳米Fe3O4颗粒(磁性生物炭)具有结构稳定、芳香化程度高、官能团丰富、孔隙发达、超顺磁性、导电性高等特点,其在堆肥、污水处理、厌氧消化、土壤修复等领域应用广泛。为探究不同负载方法对生物炭负载纳米Fe3O4颗粒性质的影响,本研究分别通过化学共沉淀法(MBC1)、溶胶凝胶法(MBC2)、球磨法(MBC3)制备了生物炭负载纳米Fe3O4颗粒。结果表明,纳米Fe3O4在MBC1表面呈现絮状,而在MBC2和MBC3表面呈现清晰球状。同时,生物炭负载纳米Fe3O4颗粒都出现了新的官能团(Fe—O—C和Fe—O),具有超顺磁性,磁饱和强度分别为8.619×10-2、8.607×10-2、8.960×10-2A·m2·g-1。相比于生物炭,生物炭负载纳米Fe3O4颗粒的平均孔径增大了240%~330%,电导率提高了17%~26%,pH升至8~9。在3种方法制备的生物炭负载纳米Fe3O4中,MBC1的结晶度最差,MBC3的分散性最好。为生物炭负载纳米Fe3O4颗粒的制备及负载方法对其性质影响提供借鉴。

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2024年第05期

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乙醇发酵预处理耦合生物炭强化城镇有机固废厌氧产甲烷

作者(Author)：王宁, 李美, 李媛, 赵智强

摘要：当前厌氧消化的核心技术原理是种间氢传递(IHT),其对扩散传质依赖高,在处理城镇有机固废(MOSW,主要包括餐厨垃圾和剩余污泥)时易受阻,导致厌氧产甲烷停滞。直接种间电子传递(DIET)对扩散传质依赖低,可取代IHT,成为城镇有机固废厌氧产甲烷的主要工作模式。乙醇型发酵预处理和投加碳基导电材料是促进厌氧消化中DIET的两大手段。以实际城镇有机固废为底物,采用乙醇型发酵预处理耦合生物炭的方法,对强化厌氧产甲烷性能进行探究。结果显示:(1)通过优化酿酒酵母培养时间、接种比及培养基组成,获得了酿酒酵母的最佳培养条件(培养时间为21.17h,接种比为15%,每30mL液体培养基组成为3.00g葡萄糖、0.12g蛋白胨、0.12g酵母浸出粉及微量元素);(2)通过优化乙醇型发酵预处理的温度和酿酒酵母的接种比,获得了乙醇型发酵预处理的最佳工艺条件(最佳发酵温度为37℃,酿酒酵母接种比为20mL/L);(3)设计半连续流厌氧消化实验,探究乙醇型发酵预处理耦合生物炭对城镇有机固废甲烷产量和底物去除的影响。相比于对照组,乙醇型发酵预处理(接种20mL/L酿酒酵母)耦合生物炭(2g/L)组的甲烷产量提高了102.50%,底物去除率提高了16.15%;(4)微生物群落分析发现,乙醇型发酵预处理耦合生物炭提高了Methanosaeta的相对丰度。优化了酿酒酵母的培养条件,确定了乙醇型发酵预处理的最佳温度和接种比,降低了经济成本。通过乙醇型发酵预处理耦合生物炭,构建了厌氧消化中DIET,强化了厌氧产甲烷,提高了城镇有机固废的资源化和减量化。

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2024年第05期

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