劉振剛研究組在廢棄生物質資源化及碳足迹分析方面取得新進展
熱解是廢棄生物質重要的熱化學轉化技術。市政汙泥是典型的廢棄生物質，汙泥熱解衍生生物炭富含碳、磷（P）硫（S）和其他作物所需的營養組分，具有廣阔的土壤应用前景。污泥中P、S元素在土壤重金属钝化过程中起着关键作用，但是目前污泥生物炭中P、S进入土壤后其形态分布、转化特征和归趋尚不明确；另外，关于污泥热解-土壤应用过程中碳封存及温室气体排放缺乏系统研究。刘振刚研究组近期利用同步辐射中能X射线近边吸收结构（XANES）等原位表征技术研究了污泥生物炭中P、S在热解及土壤老化过程中形态演化的分子机制，并首次通过生命周期评价方法量化了污泥热解-污泥生物炭土壤应用系统中碳足迹。相关成果发表在Environmental Science & Technology（doi: 10.1021/acs.est.2c00632）和Journal of Cleaner Production（2022, 358, 132057）期刊。
結果表明，汙泥中磷酸鐵（Fe-P）、有機磷在熱解處理過程中轉化爲更穩定的類羟基磷灰石結構化合物，而熱解過程中超過58%的硫被還原爲S2-並與汙泥中重金屬等陽離子形成穩定的硫化物；在土壤老化過程中，汙泥生物炭中穩定態磷又逐漸轉化爲有效性相對較高的形態（鈣弱結合態磷），而硫化物逐漸被氧化、轉化成活性高的無機硫酸鹽形態。此外，由于對氧化還原環境響應機制差異，汙泥生物炭中磷、硫在盆栽和大田土壤中呈現明顯不同的形態變化特征。熱解過程中磷、硫通過吸附、沈澱及硫化等反應影響並顯著降低了汙泥-土壤系統中重金屬的有效態含量和環境風險。通過生命周期評價體系對汙泥熱解及其土地利用過程中碳足迹和關鍵影響因素進行量化和敏感性分析，結果顯示，相對于傳統汙泥厭氧消化-土地利用、填埋、焚燒等處理方式，汙泥熱解-土地利用碳排放消減率可達53%以上，碳減排優勢顯著。
以上研究成果闡明了生物炭-土壤系統中典型有益元素形態演化規律、碳足迹及其關鍵影響因素，爲廢棄生物質無害化處理、資源化利用和固碳減排提供重要理論支持。
以上研究工作得到了國家自然科學基金和山東省重大科技創新工程等項目資助。
論文鏈接詳見：
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.est.2c00632
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S095965262201664X
