Ground-Breaking and Safe Recycling of Hazardous Hyperaccumulators

危险超富集植物的突破性与安全回收

Zhelin He, Chao Jia, Long Cheng, Fengbo Yu, Liming Sun, Litao Lin, Tao Teng, Xuan Wu, Jie Gao, Linzhi Zuo, Ting Bian, Liang Wang, Shicheng Zhang, and Xiangdong Zhu*

复旦大学环境科学与工程系

DOI: 10.1021/acsestengg.3c00278 | ACS ES&T Engineering | 2023

PDF原文

论文亮点

            开发了闪速焦耳加热(FJH)技术，实现了对锌富集超富集植物的高效回收，金属去除效率显著提高
成功将危险超富集植物转化为高价值的闪速石墨烯材料，经济效益比传统热解方法提高约850倍

研究背景

超富集植物每年大量生产，用于成本效益高的环境修复，但不当处理会危害环境和人类健康
传统热解技术由于加热温度有限和操作原理单一，无法实现高效金属去除，且生产的材料价值低
需要一种环保方法实现更高的金属去除效率，同时在生产更有价值的材料方面取得突破

研究方法

使用自制的闪速焦耳加热(FJH)设备处理典型的锌富集超富集植物(东南景天)
将样品与炭黑(6wt%)混合以获得导电样品，添加KCl作为晶相诱导剂提高金属去除效率
在80-200V初始电压下，负压环境中使用交流电处理混合物样品
使用高速相机(500帧/秒)记录反应过程，分析光强变化研究石墨化过程
通过拉曼光谱、XPS、AFM、TEM等多种技术表征产生的碳材料结构
进行种子发芽实验评估环境安全性，光热转换实验评估材料性能
与传统热解方法(600°C，90分钟)进行对比研究

图1: (a) FJH系统示意图

主要结论

FJH处理实现了高达98.6%的金属去除效率，远高于传统热解方法
成功将危险超富集植物转化为3-7层的闪速石墨烯，具有优异的性能
闪速石墨烯环境安全性高，对种子发芽无负面影响，且光热转换效率显著优于热解炭
经济评估显示FJH处理的收益比热解方法高约850倍

结果分析：FJH处理过程与金属去除

图1: (c-f) 高速相机拍摄的FJH处理实时现象

高速相机观察发现，FJH处理过程中金属充分蒸发并从母体超富集植物中喷出。光点移动和亮度波动证实了金属的蒸发过程。FJH诱导的瞬时超高温(约3000K，20秒)促进了金属去除效率和超富集植物的石墨化，同时电流剥离形成3-7层石墨烯。

图1: (b) FJH处理过程中的实时温度和电流变化

FJH处理可分为三个阶段：初始阶段(0-0.6秒)样品电阻降低约90%；中间阶段(0.6-2秒)电流增加，温度迅速升高超过大多数金属沸点；重塑阶段(2-20秒)样品被加热到白炽状态，温度从1400K迅速变化到3000K。

结果分析：晶相诱导剂对金属去除的改善

图2: (a) FJH处理固体、液体和气体产物的质量分布; (e) 不同KCl浓度下FJH处理的金属去除效率

添加KCl作为晶相诱导剂后，金属去除效率从55.5%提高到82.1%。这是因为晶相诱导剂将固有金属转化为金属氯化物，后者具有更高的蒸气压，更容易在样品通电时蒸发。经过二次浸出后，FJH处理的Zn去除效率提高至98.6%。

结果分析：闪速石墨烯的环境安全性

图3: (a) 不同溶液处理的小麦种子生长7天后的比较; (b,c) 不同样品对小麦幼苗根和芽长度的影响

种子发芽评估表明，闪速石墨烯对小麦生长几乎没有负面影响，而热解炭(PC)明显抑制小麦生长。这是因为闪速石墨烯中残留重金属浓度低，且环境持久性自由基(EPFRs)含量比PC低约3倍，对环境更安全。

结果分析：闪速石墨烯的优越性能

图4: (a) 不同水凝胶在1太阳照射下的蒸发速率和蒸发效率; (c) 1太阳照射下各水凝胶表面温度变化

闪速石墨烯制备的混合水凝胶(FG140-H)在太阳能驱动的水蒸发中表现出74.1%的能量转换效率，显著高于纯水凝胶(36.0%)和热解炭制备的水凝胶(67.0%)。这是因为闪速石墨烯具有更小的粒径(20-40nm)和更薄的厚度(0.85-1.87nm)，能够更好地在水凝胶聚合物网络中渗透，增强热限制和加速水蒸发。