“木质素优先”策略下生物质还原催化分离技术研究进展

木质纤维素生物质是地球上最丰富的可再生碳资源，有潜力替代石油来生产清洁燃料和化工产品。当前木质素组分的高效利用很困难，木质素高值化是实现生物质全组分利用的关键。为实现生物质全组分的高值化利用，本文研究了基于“木质素优先”策略的分离机制，综述了木质纤维素还原催化分离的研究进展，探索了木质素脱除率、单酚产率和选择性及碳水化合物保留率等的影响因素，分析了生物质原料、溶剂、酸碱添加剂、催化剂和反应器对“木质素优先”策略的影响规律，提出了新型催化剂和反应器的设计思路，展望了木质素还原催化分离的研究方向。分析表明：单酚产率按照硬木→草本作物→软木顺序依次递减，醇水两相体系有利于木质素和半纤维素的提取与溶解以及纤维素结构的保留，酸的加入不仅提高木质素脱除率和单体收率还能促进半纤维素的水解，半/全流动反应器有效避免后续催化剂和碳水化合物的分离。     

改性海泡石处理水中低质量浓度NO3-的研究

实验制备酸洗及负载纳米零价铁的海泡石,进行改性海泡石吸附及还原水中低质量浓度NO~-_3的实验研究。结果表明,对于酸洗海泡石(PNS)吸附NO~-_3,吸附效果高于天然海泡石,Freundlich模型比Langmuir模型更好地拟合NO~-_3等温吸附曲线,吸附过程为物理吸附非自发过程,吸附为放热反应,温度升高不利于吸附进行;负载纳米零价铁的海泡石(PNS-nZVI)处理水中NO~-_3符合准一级反应动力学模型。在一定范围内,酸性条件下促进NO~-_3的去除,质量浓度越大去除效果越好,温度在30℃时去除率达到峰值,最佳条件下去除率可达到95.4%。PNS-nZVI还原NO~-_3是一个递进过程,初始阶段NO~-_3先转化成中间产物NO~-_2和部分NH~+_4,随着反应进行NO~-_2逐步转化成NH~+_4,NH~+_4在反应产物中所占比重最大。     

煤掺氨燃烧过程中NO生成特性和氨氮转化行为研究

在实验室小型沉降炉上开展了氨、煤单独燃烧以及掺混燃烧实验，并结合数值模拟探究了氨煤掺烧的NO生成特性、中间反应过程及氨氮转化行为。结果表明，氨煤掺烧工况下的NO生成浓度远高于氨、煤单烧工况，且高于氨、煤单烧工况总和。掺氨比例为45%(热量比值，下同)时，氨煤掺烧NO排放比氨、煤单烧之和提高70.17%;而掺氨比例不变、燃料质量变为2倍后则提高79.36%,说明煤粉与氨掺烧后会导致NO排放升高。模拟结果表明，掺氨后反应器内NO浓度有一个快速增大阶段，此时氨开始氧化生成NO。氨氧化反应与氨还原反应同时发生，由于氨氧化速率始终高于氨还原速率，导致NO浓度升高。氨煤掺烧后，氨燃烧相关反应平均反应速率峰值增大，峰值出现位置提前，促进了氨氮向NO转化。     

邢台市秋季PM2.5及水溶性离子污染特征

为研究邢台市秋季PM_2.5污染特征,于2017年10月15日~11月14日在邢台市区对PM_2.5样品进行了采集,并对其中水溶性离子（包括Cl^-、NO₃^-、SO₄^2-、NH₄⁺、Ca²⁺、Na⁺、Mg²⁺、K⁺）进行了分析.结果显示,观测期间邢台市ρ（PM_2.5）平均值为（130.0±74.9）μg/m³,其中水溶性离子质量浓度为（69.8±11.4）μg/m³,占ρ（PM_2.5）的53.3%,NO₃^-、SO₄^2-和NH₄⁺为主要离子,占水溶性离子比例达到了89.7%. 当污染加重,水溶性离子质量浓度随ρ（PM_2.5）增大而升高,且NO₃^-、NH₄⁺及SO₄^2-占比亦逐渐升高,但其他离子占比随之下降,Ca²⁺尤为明显,表明ρ（PM_2.5）升高时主要受二次无机转化影响;观测期间SOR（硫转化率）与NOR（氮转化率）的平均值分别为0.36和0.25,表明秋季SO₂与NO₂转化速率较强,二次无机污染严重,另外SOR及NOR与温度及相对湿度呈正相关,且SOR对二者更为敏感;邢台市秋季PM_2.5呈弱碱性,NH₄⁺主要以（NH₄）₂SO₄和NH₄NO₃的形式存在;ρ（NO₃^-）/ρ（SO₄^2-）平均值为2.13,表明移动源对秋季大气颗粒物的来源贡献较大;PMF分析结果表明,二次转化源、燃烧源及扬尘源为邢台市秋季PM_2.5中水溶性离子的主要来源.     

金属改性对SAPO-34低温还原NO性能的影响

采用浸渍法制备金属改性SAPO-34分子筛催化剂,分析比较了不同单金属（Cu或Co）及不同比例双金属（Cu：Co=1：1、3：1、5：1,质量比）改性催化剂对NO的催化还原性能,评价了不同催化剂的N₂选择性,并采用扫描电子显微镜（SEM）、比表面积测试、X射线衍射分析（XRD）、NH₃-程序升温脱附（NH₃-TPD）等表征手段对催化剂的物化性能进行了分析.结果表明,单金属Cu改性催化剂具有较宽的温度区间,在250~450℃范围内NO的转化率始终保持在100%;双金属改性使NO转化率保持为100%的最低温度下降了25~50℃,显著拓宽了低温段窗口,其中,Cu₃Co₁/SAPO-34催化剂的低温催化还原性能最好,200℃即可实现100%的NO转化率,175℃下的转化率也高达80%以上.Cu-Co双金属改性SAPO-34分子筛催化剂具有优异的低温催化还原NO性能,具有在机动车尾气、工业废气的低温脱硝治理领域应用的潜力.     

稻田NO3-还原耦合As(III)氧化过程及微生物群落特征

以华南稻田土壤为研究对象通过构建微宇宙体系,研究了淹水稻田自养硝酸盐还原耦合As（III）氧化过程及其微生物群落结构组成.结果表明,NO₃^-的添加促进了稻田土壤中As（III）的氧化,在未添加NO₃^-的处理（Soil+As（III））以及灭菌处理（Sterilized soil+As（III）+NO₃^-）中As（III）未发生明显的氧化;在Soil+As（III）+NO₃^-处理中,NO₃^-有少量被还原,而在Soil+NO₃^-处理中,NO₃^-没有被还原.通过16S rRNA高通量分析在NO₃^-还原耦合As（III）氧化体系中微生物群落结构特征,在Soil+As（III）+NO₃^-处理中shannon指数相对较低为8.19,土壤微生物群落多样性降低,其中在门水平上主要优势菌群为变形菌门Proteobacteria（33%）、绿弯菌门Chloroflexi（11%）、浮霉菌门Planctomycetes（12%）;在属水平上主要的优势菌属为Gemmatimonas（7.4%）以及少量的Singulisphaera、Thermomonas、Bacillus.NO₃^-的添加能够促进稻田土壤中自养As（III）氧化,并且影响着稻田土壤中微生物群落组成.     

排水管道沉积物微生物群落及环境因子分析

选取北京市某区的排水管道沉积物进行取样,采用高通量测序手段分析,结果表明变形菌门、广古菌门、拟杆菌门、厚壁菌门是排水管道沉积物微生物中的优势门类;在纲水平上,δ-变形菌纲、甲烷微菌纲、梭菌纲、拟杆菌纲占相对优势;在属水平上,功能性微生物硫酸盐还原菌（SRB）和产甲烷古菌（MA）普遍存在于各处管道.在所选的6段管段中,管段S3、S4处MA的相对丰度分别为20.6%、40.8%,高于其他管段,厌氧产甲烷的潜能较大,有发生可燃气积累的风险;管段S5、S6处的SRB相对丰度分别为9.14%、8.19%,高于其他管段,硫酸盐还原为硫化物的潜能较大,存在管道腐蚀的风险.RDA分析表明污水的DO、水温、硫酸根、TN与管道沉积物中微生物群落存在相关性.     

铁基质强化新型功能性化粪池高效处理黑水的试验

以铁基质生物载体为核心,将物理、生物和化学方法结合,对化粪池进行功能强化,实现黑水的原位深度处理.探究了溶解氧（DO）和碳氮比（C/N）等因素对黑水中污染物降解的影响,并在最佳运行参数下考察了氮素在系统中的转化机制.结果表明,当C/N为7.3~8.4时,好氧生物铁基质载体池DO为2.3~2.7mg/L时,系统氨氮（NH₄⁺-N）、总氮（TN） 、COD和总磷（TP）的平均去除率分别可达90.74%、85.81%、92.65%和95.78%;当进水C/N降至3.3~4.2时,系统NH₄⁺-N、TN、COD和TP的平均去除率仍可维持在81.16%、76.62%、93.87%和94.75%.铁基质生物载体内电解作用显著强化了化粪池内TN的脱除、COD的氧化和TP的固定.氮素转化机制分析表明,内电解与反硝化菌的耦合强化了反硝化作用,降低了反硝化过程对有机碳源的需求,强化了低C/N条件下TN、TP的脱除.     

亚铁添加条件下潜流湿地中氮和化学需氧量的去除效应

为了强化水平潜流人工湿地脱氮和去除化学需氧量的效果,文章利用模拟实验开展了不同浓度的亚铁(Fe~(2+))添加对其去除效果的影响研究,并初步探讨了其作用机理。研究结果表明,添加Fe~(2+)影响了水平潜流人工湿地脱氮和去除化学需氧量的能力,而且各形态的氮素和化学需氧量的去除率随水力停留时间的延长而增大。添加高浓度Fe~(2+)(≥50 mg/L)促进了湿地系统总氮和硝态氮的去除,其去除率分别超过67.7%和72.6%;而对铵态氮去除效果的影响不明显;添加低浓度Fe~(2+)(≤10 mg/L)限制了硝态氮和铵态氮的去除,而对总氮的去除效果的影响较弱。添加高浓度Fe~(2+)(≥50 mg/L)显著促进水平潜流人工湿地化学需氧量的去除,水力停留时间为24 h,其去除率均高于91%,而添加低浓度Fe~(2+)(≤10 mg/L)对促进化学需氧量的去除效果不明显,但其去除率略高于对照组,表明添加Fe~(2+)可以提高水中易降解有机物的去除能力。Fe~(2+)进入湿地系统后,水中可溶性总铁、Fe~(2+)和Fe3+浓度迅速下降,5 h后基本保持平稳,其中可溶性总铁浓度低于3.2 mg/L。添加Fe~(2+)明显降低了人工湿地出水的pH和氧化还原电位,并发生了显著变化。因此,添加适宜浓度Fe~(2+)(50 mg/L)可促进水平潜流湿地对氮素和化学需氧量的去除,可以为人工湿地强化技术研发提供理论依据。     

矿山排水污染稻田土壤胶体对砷的吸附研究

为研究矿山排水污染土壤胶体对砷的吸附影响,文章以高砷污染区和背景区土壤的胶体在不同的pH、离子强度以及好氧/厌氧淹水条件下对As(Ⅴ)的吸附进行对比试验。结果表明:土壤胶体对As(Ⅴ)的吸附量随pH的增大而减少,且污染区胶体比背景区胶体对As(Ⅴ)的吸附量大;离子强度越大,胶体对As(Ⅴ)的吸附量越大,Ca(NO_3)_2浓度从0.001 mol/L增至0.1 mol/L时,污染区与背景区胶体对As(Ⅴ)的吸附量分别增加了30.57%、50.25%;厌氧淹水后的胶体对As(Ⅴ)的吸附量低于好氧条件下的胶体,解吸量较高,且厌氧淹水后污染区胶体与背景区胶体相比无明显吸附优势,而好氧条件下污染区胶体的解吸率低于背景区胶体,说明厌氧淹水后的胶体不易吸附且易释放As(Ⅴ)。因此,低p H和高离子强度以及好氧的条件有利于土壤胶体对砷的吸附。