石油污染土壤的碳材料增强微波热修复研究

论文摘要

本论文针对石油污染土壤,采用碳材料增强的微波热修复方法,利用微波加热技术的加热速度快、内外同时加热以及选择性加热等特点,将石油污染物从土壤中快速去除,同时将其绝大部分回收;通过对不同类型石油污染土壤的修复研究,考察该修复方法的实用可行性。研究工作主要包括以下几个方面:1.以颗粒活性碳增强的微波热修复方法处理柴油污染土壤。首先研究了土壤的微波加热行为,并向土壤中加入颗粒活性碳考察其对土壤微波加热的增强效果;在此基础上,以污染浓度为10.20 wt%的柴油污染土壤为研究对象,采用惰性气体（N2）保护、微波辐照加热、气态产物冷凝回收等工艺过程对污染土壤进行修复,考察了土壤修复效果的影响因素以及修复过程的污染油回收和颗粒活性碳重复使用情况等。研究结果显示,颗粒活性碳加入土壤中能够有效提高土壤的微波加热能力,可以用于增强微波热修复污染土壤;当柴油污染土壤中加入5.0 wt%颗粒活性碳时,800 W微波辐照10 min即可将土壤加热到500℃左右,土壤中的污染油可去除99%以上;同时约有96.2%的污染油可以得到回收,回收油与初始污染油比较,化学组成及物理性质没有明显改变;颗粒活性碳可以重复用于增强污染土壤的微波热修复,修复过程中颗粒活性碳约有1-3%的质量损失,但其增强土壤微波加热的能力没有明显改变;修复过程对土壤组成破坏较小。2.分别以颗粒活性碳和碳纤维增强的微波热修复方法处理污染浓度约为8 wt%的实际原油污染土壤。在原油污染土壤的颗粒活性碳增强微波热修复中,向污染土壤中加入一定量的颗粒活性碳,采用惰性气体保护、微波辐照加热、适当真空减压、气态产物冷凝回收等工艺过程对污染土壤进行修复,对修复过程相关参数及污染油的回收等进行了考察。结果显示,当颗粒活性碳添加剂量为10.0 wt%时,该方法在15 min内可将土壤中污染油去除99%以上;修复过程在快速去除土壤中污染油的同时也可以将其有效回收,回收率约为91%。在原油污染土壤的碳纤维增强微波热修复中,将不同吸波材料加入到土壤中,考察其对土壤微波加热的增强效果;并根据此实验结果,以碳纤维增强的微波热修复方法处理原油污染土壤,考察了土壤中污染油的去除、回收以及碳纤维的重复使用等情况。研究表明,碳纤维可以通过电导损耗和界面损耗联合的方式显著提高土壤体系的有效介电损耗因子,从而更加有效地提高土壤在微波场中的加热升温能力;在一定条件下,当碳纤维添加剂量为0.10 wt%时对原油污染土壤进行微波热修复,即可将土壤加热到700℃左右、污染油去除99%以上,污染油回收率可达94%以上,且污染油在去除及回收过程中同样没有发生明显的化学组成变化。3.探讨了污染土壤的碳材料增强微波热修复过程中污染物的去除机制。以C10、C16、C28为模拟污染物,分别对其污染土壤进行碳材料增强的微波热修复,通过分析修复过程中土壤的加热升温、污染物的去除、回收以及修复产物等情况,探讨了修复过程中不同类型污染物在不同浓度下的去除机制。实验结果表明:污染物的去除机制与污染物的类型及其在土壤中的浓度有关;挥发性、半挥发性污染物,无论浓度高低,污染物主要以微波诱导蒸汽蒸馏、蒸发及热解吸等方式从土壤中去除,基本不发生热解;难挥发或不挥发性污染物,浓度较低时（如1 wt%左右）,主要以热解吸、高温热解的方式从土壤中去除,热解比例大,浓度较高（如10 wt%左右）时,主要以蒸发和热解吸的方式从土壤中去除,热解比例小。4.比较了碳材料增强的微波热修复与微波诱导蒸汽蒸馏及传统电加热修复方法对原油污染土壤的修复效果。分别以微波诱导蒸汽蒸馏及传统电加热技术对同一原油土壤样品进行热修复,并将其修复效果与碳材料增强的微波热修复效果进行比较。结果显示,与微波诱导蒸汽蒸馏相比,碳材料增强的微波热修复方法适用范围更广;与传统的电加热修复相比,碳材料增强的微波热修复方法对污染油的破坏较小,更有利于在修复污染土壤的同时将污染油回收。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 国内外相关领域研究进展
• 1.1 土壤中石油污染物的种类与来源
• 1.2 土壤石油污染的现状与危害
• 1.3 石油污染土壤的修复技术
• 1.3.1 物理修复法
• 1.3.2 化学修复法
• 1.3.3 生物修复法
• 1.4 微波技术
• 1.4.1 微波热效应
• 1.4.2 微波加热特点
• 1.4.3 微波吸收材料
• 1.5 微波技术在环境治理中的应用
• 1.5.1 微波技术在废气处理中的应用
• 1.5.2 微波技术在废水处理中的应用
• 1.5.3 微波技术在土壤修复中的应用
• 1.5.4 微波技术在环境治理其他方面的应用
• 1.6 选题依据、研究目的、内容及意义
• 1.6.1 选题依据
• 1.6.2 研究目的
• 1.6.3 研究内容
• 1.6.4 研究意义
• 2 柴油污染土壤的颗粒活性碳增强微波热修复研究
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 实验材料与试剂
• 2.1.2 实验仪器
• 2.1.3 实验装置与方法
• 2.1.4 分析方法
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 土壤微波加热及其增强
• 2.2.2 柴油污染土壤的颗粒活性碳增强微波热修复
• 2.3 小结
• 3 原油污染土壤的颗粒活性碳/碳纤维增强微波热修复研究
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 实验材料与试剂
• 3.1.2 实验仪器
• 3.1.3 实验装置与方法
• 3.1.4 分析方法
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 原油污染土壤的颗粒活性碳增强微波热修复研究
• 3.2.2 原油污染土壤的碳纤维增强微波热修复研究
• 3.3 小结
• 4 污染土壤碳材料增强微波热修复机制的探讨
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 实验材料与试剂
• 4.1.2 实验仪器
• 4.1.3 实验装置与方法
• 4.1.4 分析方法
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 微波热修复中土壤样品升温及污染物去除过程分析
• 4.2.2 挥发性污染物的去除机制
• 4.2.3 半挥发性污染物的去除机制
• 4.2.4 难挥发或不挥发性污染物的去除机制
• 4.3 小结
• 5 不同热修复方法对原油污染土壤修复效果的比较
• 5.1 实验部分
• 5.1.1 实验材料与试剂
• 5.1.2 实验仪器
• 5.1.3 实验装置及方法
• 5.1.4 分析方法
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 碳材料增强的微波热修复与微波诱导蒸汽蒸溜的比较
• 5.2.2 碳材料增强的微波热修复与传统电加热修复的比较
• 5.3 小结
• 6 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 创新点摘要
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
• 作者简介