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重金属生物质一举两得极速转化:20秒3000K实现高效金属去除与石墨烯生成
出处:焦耳热超快合成  录入日期:2024-06-17  点击数:358

  2023年,复旦大学朱向东研究员等人在《ACS ES&T Engineering》上发表了题为“Ground-Breaking and Safe Recycling of Hazardous Hyperaccumulators”的论文,提出了一种创新的闪蒸焦耳加热(FJH)技术,用于高效回收和处理富含锌的超富集植物,通过瞬时超高温促进金属去除和石墨化,生成高附加值的闪蒸石墨烯。


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  图1. 闪蒸焦耳加热法(FJH)和传统热解法的对比
  【总结】
  (1)闪蒸焦耳加热技术(FJH)的创新应用:本研究提出了一种创新的闪蒸焦耳加热技术,用于回收富含锌的超富集植物,并将其转化为高附加值材料(闪电石墨烯)。FJH技术通过瞬时超高温(约3000 K,持续20秒)促进了金属的去除和超富集植物的石墨化,同时实现了3-7层石墨烯的形成。该方法显著提高了金属去除效率(98.6%),远高于传统热解法。
  (2)高效金属去除与材料升级:FJH技术在去除金属的同时能够将超富集植物升级为高价值的闪蒸石墨烯材料。实验结果显示,FJH处理比传统热解法具有更高的金属去除效率和更优的石墨化效果。通过晶相诱导剂(如KCl)的加入,进一步提高了金属去除效率,使得残余金属的环境风险显著降低。
  (3)环保安全性评估:本研究通过种子萌发实验评估了闪蒸石墨烯的环境安全性,结果表明闪蒸石墨烯对小麦生长没有显著负面影响。闪蒸石墨烯中残留的重金属和环境持久自由基含量较低,表明其在环境中的安全性优于传统热解产物。
  (4)经济性与应用前景:经济评估表明,FJH处理的净收益约为热解法的850倍,显示出显著的经济优势。闪蒸石墨烯在太阳能驱动水蒸发等应用中表现出优越的光热转换效率,进一步验证了其广泛的应用潜力。
  (5)同步石墨烯制备与金属去除的优势:FJH技术在实现高效金属去除的同时,通过电热效应实现了同步石墨化和石墨烯剥离,具有较高的灵活性和可调性。


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  图1. 闪蒸焦耳加热法(FJH)反应过程
  【研究背景】
  (1)超富集植物是一类用于环境修复的植物,每年大量生产。然而,这些植物中含有大量的金属元素,如果不进行适当处理,最终可能危害环境和人类健康。传统的处理方法,如热解技术,虽然可以部分去除金属,但由于其加热温度有限和单一的操作原理,金属去除效率低,且生成的材料价值较低。
  (2)传统热解技术在金属去除和材料升值方面存在显著局限。热解技术由于温度不够高,无法有效去除金属,且生成的碳材料石墨化程度低,电子传输率和机械强度不足,限制了其在能源存储和材料增强等应用中的性能。需要一种高效且环保的方法,能够同时实现高金属去除效率和高价值材料的生产。
  (3)闪蒸焦耳加热(FJH)是一种新兴的技术,电流通过反应物,瞬时达到超高温(约3000 K),实现生物质碳源的升级转化。FJH技术的高温和强电流引发的电热效应,能够重新排列和剥离反应物的结构,形成闪蒸石墨烯,并提高金属去除效率。
  (4)本研究的目标是利用自制的FJH系统处理典型的锌富集超富集植物(Sedum plumbizincicola),实现高效金属去除和材料升级。
  【研究方法】
  (1)超富集植物的采集与制备:选择典型的锌富集超富集植物Sedum plumbizincicola作为研究对象,这些植物采集自锌污染修复场地。将采集到的植物与6 wt%的炭黑混合,以提高其导电性,随后添加KCl作为晶相诱导剂,以进一步提高金属去除效率。
  (2)自制FJH系统的设计与构建:研究团队设计并构建了一个自制的FJH系统,包括电源、反应和产品收集系统。该系统提供交流电流,直接石墨化和剥离样品,以促进金属挥发并同步升级为闪蒸石墨烯。FJH系统的具体构造包括中空阳极、冷凝管和连续气袋,用于收集挥发的金属。
  (3)FJH处理过程:在负压下,以80到200 V的初始电压对混合样品进行FJH处理。通过高温瞬时加热(约3000 K,持续20秒),促进金属去除和样品的石墨化。使用高速摄像机(每秒500帧)记录反应过程,分析反应现象和样品光强变化,以研究石墨化过程。
  (4)对比实验:作为对比实验,将样品在箱式电阻炉中进行慢速热解处理。具体操作为:在氮气流(100 mL/min)下,以10 ℃/min的加热速率将样品加热至600 ℃,持续90分钟。
  (5)FJH衍生产品的评估:对FJH衍生的固体、液体和气体产品进行收集和分析。固体产品分别命名为FG80、FG140和FG200,代表不同初始电压下生成的闪蒸石墨烯。对固体产品进行消解以计算金属去除效率,并通过毒性特征浸出程序和种子萌发实验评估其重金属释放风险。采用电子顺磁共振(EPR)光谱仪、拉曼光谱、X射线光电子能谱(XPS)和原子力显微镜(AFM)等技术,分析碳材料的结构和残留金属的结合形式。
  (6)液体和气体产品的化学组成分析:液体产品通过氮气吹扫浓缩,并溶解在甲醇中进行电喷雾电离(ESI)傅里叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICR MS)分析。气体产品通过气相色谱(GC)分析其组成和体积,以研究FJH输入功率与组分变化的关系。
  (7)晶相诱导剂的影响研究:添加KCl作为晶相诱导剂,研究其对FJH处理金属去除效率的影响。通过二次浸出过程,进一步提高金属去除效率。通过拉曼光谱分析,评估晶相诱导剂对闪蒸石墨烯制备能力的影响。
  (8)环境安全性评估:通过种子萌发实验,评估不同处理方法生成的材料对小麦生长的影响,验证其环境安全性。使用FT EXAFS光谱和波形变换光谱,分析样品中残留金属的结合形式和稳定性。
  (9)闪蒸石墨烯的应用潜力评估:将闪蒸石墨烯用于制备混合水凝胶,评估其在太阳能驱动水蒸发中的光热转换性能。通过表面温度变化、孔结构和饱和含水量等参数,综合评估闪蒸石墨烯在实际应用中的优势。
  【研究结果】
  (1)闪蒸焦耳加热(FJH)处理效果:FJH处理实现了高效的金属去除和材料升级。在瞬时超高温(约3000 K,持续20秒)的作用下,超富集植物中的金属有效挥发,同时实现了石墨烯的形成。FJH处理后的样品生成了3-7层的闪蒸石墨烯,表现出高质量的石墨化结构。
  (2)金属去除效率:通过FJH处理,锌的去除效率达到了98.6%,显著高于传统热解处理的效率。添加晶相诱导剂(如KCl)进一步提高了金属去除效率,显示出晶相诱导剂在促进金属挥发方面的有效性。
  (3)材料性能与结构分析:拉曼光谱显示,FJH处理后的样品具有明显的2D带,表明样品经历了良好的石墨化和电剥离,形成了薄层的闪蒸石墨烯。原子力显微镜(AFM)测量显示,FJH处理生成的石墨烯厚度在0.90-2.34 nm之间,验证了高功率输入促进了碳材料的石墨化和电剥离,生成了多层的闪蒸石墨烯。

  (4)环境安全性评估:通过种子萌发实验评估闪蒸石墨烯的环境安全性。实验结果表明,闪蒸石墨烯对小麦生长无显著负面影响,而传统热解产物(PC)则明显抑制了小麦的生长。环境持久自由基(EPFRs)的检测显示,闪蒸石墨烯中的EPFRs含量比传统热解产物低约3倍,表明高温处理有效降低了EPFRs的浓度,从而减少了对植物生长的抑制作用。
  (5)经济性与应用潜力:经济评估结果显示,FJH处理的净收益约为热解法的850倍,表明FJH处理具有显著的经济优势。在太阳能驱动水蒸发应用中,闪蒸石墨烯表现出优越的光热转换效率,能量转换效率达到74.1%,显著高于传统热解产物(67.0%)和纯水凝胶(36.0%)。
  (6)气体和液体产品的分析:气相色谱(GC)和高分辨率傅里叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICR MS)分析显示,FJH处理过程中生成了大量的可利用气体(如CO、H2和CH4),这些气体可用于发电,部分抵消FJH处理的能量消耗。液体产品的分子组成分析表明,随着输入功率的增加,液体产品中高H/C值、低O/C值的化合物增多,显示出脱羧反应的发生。
  (7)晶相诱导剂的影响:晶相诱导剂(KCl)的加入显著提高了金属去除效率,将锌的去除率从55.5%提升至82.1%。进一步通过二次浸出处理,锌的总去除率达到98.6%。拉曼光谱分析表明,晶相诱导剂的加入对石墨烯的石墨化和电剥离过程没有显著负面影响,反而优化了去污能力。
  【展望】
  根据研究内容和结果,可以推测一些可能的后续研究方向:
  (1)FJH技术的优化与扩展:进一步优化FJH处理的工艺参数,如电流强度、处理时间和初始电压等,以提高金属去除效率和石墨烯质量。开发和验证大规模FJH系统,以实现工业化应用,并评估其在实际生产中的可行性和经济性。
  (2)晶相诱导剂的研究:研究不同类型的晶相诱导剂对金属去除和石墨烯形成的影响,寻找最优的诱导剂组合。探讨不同浓度诱导剂对FJH处理效果的影响,以确定最佳用量。
  (3)环境安全性进一步评估:开展长期环境影响评估,研究FJH处理生成的石墨烯在自然环境中的降解行为和生态影响。通过更广泛的生物毒性实验,评估不同环境条件下闪蒸石墨烯对各类生物的潜在影响。
  (4)FJH技术应用于其他超富集植物:研究FJH技术在其他类型超富集植物中的应用,评估其普适性和效果。探索FJH技术在处理多金属污染超富集植物中的效果,评估其在复杂污染环境中的应用潜力。
  (5)石墨烯应用开发:研究FJH生成的石墨烯在不同应用领域中的性能优化,如在储能、催化剂和电子材料中的应用。将闪蒸石墨烯与其他材料结合,开发高性能复合材料,评估其在工业和技术领域的应用前景。
  (6)经济与能效分析:进一步细化FJH技术的经济评估,包括详细的成本分析和市场前景预测。研究如何提高FJH处理的能量利用效率,降低处理过程中的能耗,以提高整体经济效益。
  (7)政策与产业化研究:根据FJH技术的研究成果,提出适用于该技术的环保和产业政策建议,促进其在实际应用中的推广。探讨FJH技术从实验室研究到工业应用的路径和步骤,制定可行的产业化实施方案。

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