2023年3月21日，我院2020级硕士研究生刘畅的研究论文 CO2capture using biochar derived from conditioned sludge via pyrolysis 被工程技术类SCI期刊 Separation and Purification Technology 接收(中科院1区TOP，IF=9.136)。刘畅为论文第一作者，吴彦副教授为论文通讯作者。
城市污泥是污水处理厂污水处理后的副产物，产量大、增速快，并且含有大量重金属、病原体、可持久性污染物等有毒有害物质，导致其难降解、难以处置，易造成二次污染，给城市环境构成了严重的威胁。与此同时，2022年联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）发布报告称2019年全球温室气体的排放量达到590亿吨，这比2010的排放量增加了12%，而我们目标是防止全球气温比工业化前平均水平上升1.5 ℃。科学家预测，一旦超过这个门槛，世界将面临极端的气候变化，对人类、野生动物和生态系统造成严重影响，因此必须马上采取减排措施。
本研究研发一种以捕集CO2为目标的污泥调理-热解制备生物炭及捕集CO2工艺，以高铁酸钾、阳离子聚丙烯酰胺以及壳聚糖的投加量，热解温度、吸附温度为主要参数，以生物炭的CO2捕集量为评价指标，通过热重差热曲线、表面形貌、表面元素、表面官能团、拟合动力学公式分析阐明污泥生物炭捕集CO2的机理，并通过循环吸附实验，考察生物炭的再利用性，通过经济分析考察生物炭的经济性。这项工作将为城市剩余污泥处理与处置提供一条新思路，同时也达到了减污降碳协同发展的目的。
图1 不同捕集温度下生物炭对于CO2的捕集性能
从图1可以看到原污泥生物炭（RSB）和K2FeO4+壳聚糖（CTS）调理后热解制备的生物炭（K2FeO4-CTS-B）在捕集温度为30℃拥有最大CO2容量，75.69mg/g和86.56mg/g；K2FeO4调理污泥后制备的生物炭（K2FeO4-B）和K2FeO4+阳离子聚丙烯酰胺调理后制备的生物炭（K2FeO4-CPAM-B）在捕集温度为50℃拥有最大CO2容量，81.68mg/g和94.81mg/g。
图2 生物炭的表面形貌图
从图2可以观察到K2FeO4调理后的污泥生物炭表面粗糙度降低，有团聚体出现，这可能是由于K2FeO4在水中水解之后生成的铁氧化物在生物炭表面起到了聚集作用。加入CPAM和CTS后表面粗糙度进一步降低，可以看到CPAM调理后有少量丝状物出现，而CTS调理后的生物炭表面则可以看到表面孔隙被覆盖。因此推测加入调理剂和絮凝剂后并未使生物炭表面积增加。
图3 （a）生物炭的总谱图，（b）生物炭的元素含量图（其余图为N的种类及含量图）
由图3（a）可知，280.00,399.00，530.00 eV附近结合能对应的C、N、O三种元素的吸收峰。图3（a）中发现K2FeO4-B、K2FeO4-CPAM-B、K2FeO4-CTS-B并没有出现新的元素峰，说明破解剂和絮凝剂的加入并没有引入新的元素，但是C、N、O三种主要元素的含量发生了变化，如图3（f）所示。由图3（f）可知，加入K2FeO4后，生物炭表面的C元素含量增加，O和N的含量有所下降；加入K2FeO4+CPAM后生物炭表面的C元素含量增加，O和N的含量有所下降，加入K2FeO4+CTS后生物炭表面的C元素含量下降，O和N的含量有所上升。碳含量高可以增加CO2与生物体之间的伦敦色散力，这有助于CO2的捕集，过量的O含量也有助于生物炭捕获CO2，N部分和基于N的官能团也在创建路易斯碱性位点和诱导电子结构变化中发挥作用，增强酸性CO2和碱性N之间的相互作用。图3的其余图可知，400.7±0.3、399.2±0.3和398.5±0.3 eV，分别归因于石墨氮、吡咯氮和吡啶氮，高CO2吸附的情况下，吡咯氮比吡啶氮和石墨氮更活跃，加入K2FeO4后生物炭表面未出现石墨氮，吡咯氮的含量上升，加入K2FeO4+CPAM以及K2FeO4+CTS后，生物炭表面的吡咯氮含量继续上升，导致他们的CO2捕集能力提高。
综上所述，加入絮凝剂后，污泥生物炭的物理性能有所下降，但加入化学试剂后，生物炭表面增加了更多的氨基、碳和吡咯氮，有利于CO2的捕获。化学性质的改善提高了生物炭的CO2捕获性能，这意味着化学吸附在污泥生物炭捕获CO2的过程中发挥了比物理吸附更重要的作用。
本研究获得国家自然科学基金(51808089)、万州区科委研究项目(wzstc20210308)和beat365官方登录入口研究生科研创新项目(YJSKY21002)的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.seppur.2023.123624
