新思路：利用低共熔溶剂实现重金属富集植物的资源化利用_精选

植物修复是一种环境友好、经济可行的重金属污染土壤原位修复技术。然而，获得的重金属富集生物质通常被作为危险废物，需要进行无害化处理。当前已有的填埋、焚烧和热解等方法来处理重金属富集生物质，但仍存在高能耗和二次污染风险等问题。 低共熔溶剂（DES）在不同领域，比如生物质预处理和湿法冶金都已有应用。受此启发，西湖大学王蕾研究员团队提出一种利用DES处理重金属富集生物质以实现重金属去除、生物质组分分离和电化学法回收溶剂的工艺路线（图1）。

图文解读

(相关资料图)

Fig. 1 Schematic diagram of DES-based treatment of phytoremediation biomass

以经过基因改造后可富集重金属的杨木为底物，团队利用氯化胆碱与乳酸混合获得的DES对其进行预处理（图2）。组分分析表明，生物质脱木素效率随着温度和时间的增加而增加，在130 °C处理3小时后达到90 %以上。此外，DES处理后杨木样品中重金属的分布结果表明，纸浆中的Cd约占原始样品中Cd含量的4 wt%，再生木质素中未检测到Cd，95 %以上的Cd被提取到DES中。同样，纸浆中Cu的分布较低（约0.5 wt%）。此外，由于再生木质素对Cu的化学吸附，其中检测到少量Cu。

Fig. 2 Pretreatment of poplar with ChCl: LA under different treatment conditions. (a) Pulp yield and delignification efficiency; (b) Composition analysis of untreated and pretreated poplar; (c) Distribution of Cd in different components of poplar after DES treatment; (d) Distribution of Cu in different components of poplar after DES treatment. *: Below the detection limit.

图3展示了原始杨木和预处理后纸浆的结晶度指数和形态。由于部分半纤维素和木质素的去除，预处理后的纸浆结晶度增加。与原始杨木的致密压实表面相比，预处理后的纸浆表面变得更松散。此外，随着预处理程度的增加，更多的纤维断裂成碎片。生物质结构的破坏增了加酸性DES的可及性，促进其对重金属的络合和浸出。

Fig. 3 Characterization of pulp obtained from raw and the pretreated poplar under different conditions. (a) CrI and (b) SEM images of the original substrate and cellulose-rich pulps under different conditions.

图4展示了再生木质素纳米颗粒的分子量变化和羟基含量。由于β-O-4键和其他碳碳键的断裂，再生木质素的平均分子量不同程度地降低，并呈现出均匀的分子量分布。定量分析表明由于酸催化脱水，木质素脂肪族OH含量随着预处理程度的增加而显著降低。此外，处理后再生木质素中酚羟基的含量增加至3.05 mmol/g。这一结果解释了再生木质素对铜的吸附水平随预处理程度提高而增加的原因。

Fig. 4 31P NMR and APC analysis of lignin from different treatment conditions. (a) Quantitative 31P NMR spectra; (b) Contents of various aliphatic, phenolic, and carboxylic hydroxyl groups; (c) Weight-average and number-average molecular weight of lignin.

此外，我们评估了利用电化学方法从DES中沉积金属的可行性。如图5a所示，实验在流动装置中进行，在操作期间，向两个电极施加外部电压（-1.4 V）。图5b结果表明在重金属混合污染的DES中，重金属的去除效率都可以达到80 %以上。基于上述结果，当对预处理后回收的DES进行电沉积时，Cd和Cu如预期从DES中去除 （图5g）。

Fig. 5 (a) Schematic of the device for heavy metal removal using electrochemical method. (b) Selective recovery of Cu, Cd, and Pb of 100 ppm initially from DES (20 wt% H2O) with mixed pollution using electrodeposition method. (c-e) The removal capacity of Cu, Cd and Pb from DES (20 wt% H2O) with different content pollution by electrochemical deposition. (f) SEM images of the Cu, Cd, and Pb deposited on the working electrode; (g) Electrochemical recovery of heavy metal in DESs samples (20 wt% H2O). DESs samples were obtained from the pretreatment liquid of poplar after the third treatment.

Fig. 6 (a) Distribution of heavy metal in different components, pulp yield and delignification efficiency after treatment of Sedum alfredii with DES at 130 °C for 3 h; (b) Quantitative 31P NMR spectra of lignin from Sedum alfredii under at 130 °C for 3 h; (c) Electrochemical recovery of heavy metal in DESs samples (20 wt% H2O). DESs samples were obtained from the pretreatment liquid of Sedum alfredii.

该技术的普遍适用性对其大规模应用和推广至关重要。考虑到不同类型的重金属富集生物质，我们采用DES对超富集植物（东南景天）进行预处理。结果表明在130 °C处理3小时后，纸浆中Cd的占比小于原始样品中Cd含量的4 wt%，木质素中未检测到Cd。同时，大量的Pb和Cu也被去除。

总结与展望：

重金属富集植物的后处理是影响植物修复土壤技术推广的主要障碍之一。在本研究中，DES因其具有重金属脱除和生物质组分分离的能力被应用于重金属富集植物的无害化处理和资源化利用。以杨木为底物，结果表明氯化胆碱-乳酸形成的DES可从原料中去除约98.3 %的Cd和94 %的Cu，同时获得纸浆。此外，富含酚羟基的木质素纳米颗粒可以在再生过程中吸附提取的铜，可作为前体进一步转化为潜在的高附加值产品。另外，DES具有宽的电化学窗口和良好的导电性，通过电沉积从中去除Cd、Cu 和Pb可实现DES的回收利用。同时，这种基于低成本DES的处理技术也适用于超富集植物东南景天（初始Cd 含量约600 ppm）。总体而言，这项技术有望将富集植物无害化处理和生物质精炼相结合，解决植物修复土壤收获物的后处理难题。在后续的研究中，工艺优化、经济可行性和生命周期评估是将来的重点，以验证该技术在工业化方面的潜力。

(责编：蒲江）