水稻研究人员帮助创建快速高温过程去除重金属有机污染物

过滤系统旨在同时捕获水或空气中的多种有害物质，但土壤中的污染物只能单独处理或一次处理几种——至少目前如此。

莱斯大学的科学家和陆工程研究与发展中心(ERDC)的合作者开发的一种方法可以帮助将土壤修复过程从零散变成大规模。

由化学家James Tour 领导的莱斯大学科学家团队以及来自 ERDC 岩土结构和环境工程部门的研究人员表明，将受污染的土壤与推动电流的无、富含碳的化合物(例如生物炭)混合，然后用短电流击打混合物。爆发性的电力可以冲走有机污染物和重金属，而不用水或产生废物。

根据《自然通讯》 发表的一项研究，电脉冲可在几秒钟内将土壤温度根据需要提高到 1000-3000 摄氏度(1832-5432 华氏度)，将有机污染物转化为无石墨矿物质，将有重金属转化为通过提取管收集的蒸汽。此外，该过程有利于土壤肥力，实验表明修复后的土壤发芽率提高了 20-30%。

“我们的高温电热过程可以同时去除多种污染物，”主要作者、Tour 实验室的博士后研究员 Bing Deng 说。“这种新建立的方法，我们称之为高温电热过程(HET)，是基于 我们几年前开发的闪速焦耳加热技术。将直接电加热用于土壤修复尚属首次。”

铅、砷、锌、钴、铜、汞、镍等重金属和农药、微塑料等有机污染物是土壤中的主要污染物。除了人为活动外，和洪水等自然事件也会造成土壤污染：八月份摧毁夏威夷的野火释放的有灰烬，或 北极永久冻土融化 释放的任何潜在工业废物，都可能污染大片土壤，呼吁制定大规模净化协议。

然而，目前从土壤中去除污染物的方法既耗时、成本高，又在物流上具有挑战性。一些净化技术，例如表面活性剂浸出，也会产生二次废物流并消耗大量的水和/或电力。邓说，寻找更好的土壤净化方法对于提高备灾能力至关重要，使其成为国家安全的优先事项。

“这种方法速度超快，对于解决紧急情况非常有用，”邓补充道。

ERDC 研究化学家 Mine Ucak-Astarlioglu 表示：“土壤修复技术通常一次只能针对一种或两种重金属，而且通常效果不是很成功，或者发挥作用的速度比电热加热慢得多。” “这种方法非常快速，无需水，可以处理土壤中的多种污染物。闪速焦耳加热是一种非常有前景的技术，适用于从废物中回收关键金属以及去除重金属进行修复。”

ERDC 高级物理科学家克里斯·格里格斯 (Chris Griggs) 表示，目前，受污染的土壤要么被挖出并从人口稠密的地方运走——他称之为“后勤噩梦”——要么可以在现场进行处理以防止有元素的产生。防止迁移到周围的空气、水或食物供应中。

“某些污染物可能没有问题——它们不会移动。其他的可能会迁移到地下水和饮用水源。有些最终可能会污染农作物，有重金属可能会通过植物的根部等被吸收，”格里格斯说。“能够使土壤再生并将其恢复到原来的状态，这比现有技术具有巨大的优势。”

快速高温处理的一个令人惊讶的效果是它使土壤颗粒大小和总体矿物成分相对不变。事实上，这个过程提高了水的渗透率，增加了可用养分的储备，使土壤更加肥沃。

“令我们惊讶的是，我们在这个过程中没有破坏土壤，”莱斯大学 TT 和 WF Chao 化学教授、材料科学和纳米工程学教授图尔说。“植物实际上更喜欢它，因为在热循环中释放出矿物质。”

莱斯大学博士后研究员、主要合著者程毅表示，该过程在湿土上同样有效。

“我们的工艺既经济又环保，”程补充道。

该研究包括生命周期分析，显示该过程具有可扩展性，并且比土壤冲洗或热解吸等传统土壤修复实践更具能源效率和成本效益。

“我们开发了两种用于场外和现场部署的实施模型，我们期待着将这一过程带入下一阶段——现场测试，”邓说。

Rice 和 ERDC 之间的合作可以帮助技术从概念验证阶段过渡到现实世界的实践。

格里格斯说：“当谈到该过程的技术经济性和可扩展性时，我们可以比大学举得更重一点，做得更大一点，但研究的发现方面是大学擅长的地方。” “这是一个很好的合作伙伴关系。”

“这是一种技术合作伙伴关系、教育合作伙伴关系，而且还提供就业机会，”Ucak-Astarlioglu 说。“对于所有参与其中的大学合作伙伴来说，这是一个双赢的局面。”

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