《木質纖維基重金屬污染治理材料生產(chǎn)技術規(guī)程編制說明》

一、項目來源

根據(jù)《廣西標準化協(xié)會關于下達2021年第三十四批團體標準制修訂項

目計劃的通知》(桂標協(xié)[2021]92號)文件精神，由廣西大學提出，廣西大學、

廣西博世科環(huán)?？萍脊煞萦邢薰竟餐鸩莸膱F體標準《木質纖維基重金

屬污染治理材料生產(chǎn)技術規(guī)程》。

二、項目背景及目的意義

由于我國經(jīng)濟發(fā)展方式粗放，產(chǎn)業(yè)結構和布局不合理，污染物排放總

量居高不下，部分地區(qū)土壤、水體污染嚴重，隨著我國國民經(jīng)濟的高速發(fā)

展和城鎮(zhèn)人口的急劇增加，各種有毒有害重金屬元素通過多種途徑進入農

田土壤、江、河，造成各種有毒有害重金屬元素富集，使得各地相繼出現(xiàn)

了嚴重的重金屬污染事件，而且重金屬污染問題日益凸顯，對農產(chǎn)品質量

安全和人體健康構成了嚴重威脅。

我國部分地區(qū)土壤污染較重，耕地土壤環(huán)境質量堪憂，工礦業(yè)廢棄地

土壤環(huán)境問題突出，根據(jù)《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，全國土壤

總的點位超標率為16.1%，耕地土壤點位超標率分別為19.4%。據(jù)不完全調

查，全國受污染的耕地約有1.5億畝，污水灌溉污染耕地3250萬畝，固體廢

棄物堆存占地和毀田200萬畝，合計約占耕地總面積的1/10以上，其中多數(shù)

集中在經(jīng)濟較發(fā)達的地區(qū)。嚴重的土壤污染造成巨大危害。據(jù)估算，全國

每年因重金屬污染的糧食達1200萬噸，造成的直接經(jīng)濟損失超過200億元。

在我國有大量的廢水不經(jīng)處理便排放到水體中，使得水中的懸浮物、有機

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物和重金屬超標。調查數(shù)據(jù)顯示：我國江河湖庫底質的污染率高達80.1%。

黃河、淮河、松花江等十大流域重金屬超標斷面的污染成都均超Ⅴ類。我

國的七大水系中，長江水系鎘污染情況僅次于COD、BOD以及汞污染；黃河

水系總鎘含量超標的斷面達到16.7%。

由于一般重金屬微量即可產(chǎn)生顯著毒性效應，不能被微生物降解，且

被生物體攝取后能在較高級的生物體內成千百倍地富集起來，并與生物高

分子(如蛋白質、酶等)發(fā)生強烈相互作用而使它們失去活性，也可積累在

某些器官中造成累積性中毒，是一類對人類危害極大的污染物。由于重金

屬不能被微生物降解，對環(huán)境介質的污染具有隱蔽性、長期性和累積性等

特點，至今尚未找到普適有效的治理方法。

目前，采用的修復和治理的方法有：1、物理法，包括膜分離法（RO反

滲透）、吸附法、溶劑萃取法、離子交換法、蒸發(fā)濃縮法等；2、化學法，

包括化學沉淀法、電化學法；3、生物法，包括生物修復法、生物絮凝法、

生物吸附法。其中吸附法是公認的操作簡單，成本低的方法。其具有高比

表面積、強吸附性、高活性，又具有結構穩(wěn)定、抗團聚的廢水吸附、土壤

修復材料，是治理污染的關鍵。

用于重金屬處理的吸附材料按來源可分為天然吸附材料、合成吸附材

料和生物吸附材料等幾種類型。按化學成分，天然吸附材料可分為天然無

機吸附材料和天然有機吸附劑兩種類型。此外，還有為克服天然吸附材料

本身的缺陷，提高吸附性能，對天然吸附材料進行改性的改性天然吸附材

料。天然無機吸附材料主要為天然礦物及經(jīng)過簡單加工處理的產(chǎn)物。

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應用于重金屬吸附的主要有坡縷石、海泡石、蛭石、黏土礦物、沸石、

高嶺土、膨潤土、凹凸棒石和硅藻土等。天然有機吸附材料主要是農林業(yè)

副產(chǎn)物及其加工過程產(chǎn)生的廢棄物，主要有木纖維、玉米桿、稻殼、木屑、

樹皮和殼聚糖等。雖然來源廣泛、易得、價廉且無毒，但由于本身結構上

的局限和缺陷，一般對重金屬離子的吸附容量較小，吸附效率低，選擇性

差，再生困難，易產(chǎn)生大量含重金屬的廢棄物而造成二次污染。因此通過

對天然吸附材料的改性，克服了缺陷，提高了吸附性能，得到了較好的發(fā)

展。

木質纖維是地球上豐富的可再生資源，我國每年60%以上的木質纖維基

材成為農林廢棄物，隨意堆放或焚燒，不僅造成資源浪費，而且?guī)砹藝?/p>

重的環(huán)境污染。木質纖維基通過改性不僅可用于重金屬廢水治理，還可用

于制作有機鈍化劑用于重金屬污染土壤治理。由于土壤中的重金屬多為過

渡元素，它們的化合價易隨農田土壤pH、Eh等環(huán)境條件的變化而變化。重

金屬形態(tài)不同，其穩(wěn)定性和生物有效性也存在較大的差異，因此針對不同

的重金屬所采用的鈍化材料有一定的差異性。目前應用于固化/穩(wěn)定化的改

良劑研究較多，據(jù)研究結果統(tǒng)計顯示，可以有效地固化/穩(wěn)定化土壤重金屬、

減少植物對重金屬積累作用的材料有石灰、磷灰石、沸石、鐵錳氧化物、

硅酸鹽、海泡石、赤泥、骨炭、堆肥、鋼渣、蒙脫石、凹凸棒石和蛭石等。

另外，多種金屬氧化物、黏土礦物、有機質、高分子聚合物、生物材料也

被廣泛作為改良劑材料使用。廣西地區(qū)因其地質結構特點，在纖維基鈍化

材料用于修復重金屬污染土壤的研究具備資源優(yōu)勢，如針對鎘污染土壤鈍

化材料，廣西地區(qū)具有的優(yōu)勢原材料有蠶沙、膨潤土、高嶺土、赤泥、蔗

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渣、鉀長石、沸石；針對鉻污染土壤鈍化，廣西地區(qū)的優(yōu)勢原材料有鉀長

石、沸石、蔗渣生物質炭、膨潤土、泥炭等五種原材料，研究表明，以上

材料作改性處理后對鉻的鈍化修復效率越高、作用越穩(wěn)定。廣西的木質纖

維資源豐富，是世界10大產(chǎn)糖區(qū)之一，根據(jù)2019年度統(tǒng)計年鑒，廣西自治

區(qū)年產(chǎn)農業(yè)秸稈總量約4598.6萬噸，主要來源于甘蔗、水稻、玉米、蔬菜、

水果、薯類及木薯等農作物，其中以甘蔗、水稻秸稈量占比率較高。甘蔗

種植面積900萬畝左右，以甘蔗為材料發(fā)展的制糖產(chǎn)業(yè)是廣西經(jīng)濟發(fā)展的重

要支柱，蔗渣產(chǎn)量高達1700多噸，蔗渣可進行改性，配合鐵類和鋁（錳）

氧化物等鈍化劑等聯(lián)合使用，不僅能高效鈍化修復砷污染的土壤，還能減

少每年因燃燒大量秸稈帶來的大氣問題。

木質纖維孔隙率高、活性位點多，具有制備高性能重金屬吸附材料的

加工屬性和改性潛力。但是傳統(tǒng)的木質纖維基吸附材料主要存在以下問題：

（1）難實現(xiàn)低濃度多重金屬離子的同步高效去除；

（2）木質纖維的常規(guī)非均相改性方法存在反應物轉化率低；

（3）功能基團總密度低；

（4）各吸附位點不均衡；

（5）生產(chǎn)過程步驟多、改性成本高等弊端，極大限制了木質纖維材料

在重金屬污染治理領域的產(chǎn)業(yè)化應用。

因此，通過制訂團體標準《木質纖維基重金屬污染治理材料生產(chǎn)技術

規(guī)程》，以標準化為抓手，采用優(yōu)勢木質纖維為原料，研究新型木質纖維改

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性方法、生產(chǎn)綠色高效重金屬污染治理材料，配套技術裝備，將綠色修復

理念應用于重金屬污染防治工程實踐已迫在眉睫。

三、項目編制過程

（一）成立標準編制工作組

團體標準《木質纖維基重金屬污染治理材料生產(chǎn)技術規(guī)程》項目任務

下達后，廣西大學成立了標準編制工作組，起草單位制定了起草編寫方案

與進度安排，明確任務職責，確定工作技術路線，開展標準研制工作。具

體標準編制工作由廣西大學、廣西博世科環(huán)?？萍脊煞萦邢薰镜绕鸩輪?/p>

位組成標準編制工作組。

編制工作組下設三個組，分別是資料收集組、草案編寫組、標準實施

組。

資料收集組負責國內外有關木質纖維基重金屬污染治理材料生產(chǎn)技術

的文獻資料的查詢、收集和整理工作，查閱前人對木質纖維基重金屬污染

治理材料生產(chǎn)的研究情況和目前科學界對木質纖維基重金屬污染治理材料

生產(chǎn)技術的研究進展。

草案編寫組負責起草標準草案、征求意見稿和標準編制說明、送審稿

及編制說明的編寫工作，包括后期召開征求意見會、網(wǎng)上征求意見，以及

標準的不斷修改和完善。

標準實施組負責《木質纖維基重金屬污染治理材料生產(chǎn)技術規(guī)程》標

準發(fā)布后，組織相關企業(yè)開展標準宣貫培訓會，對標準進行詳細解讀，讓

相關人員了解標準，并根據(jù)標準對木質纖維基重金屬污染治理材料生產(chǎn)等

進行規(guī)范化操作，為切實保障我區(qū)環(huán)境安全，提高土壤環(huán)境質量，并對標

準實施情況進行總結分析，不斷對標準提出修正意見。

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（二）收集整理文獻資料

標準編制工作組收集了國內有關重金屬污染治理材料相關文獻資料。

主要有：

《DB45/T2144-2020工業(yè)企業(yè)重金屬污染地塊修復技術規(guī)范》

《重金屬吸附材料的研究進展》

（三）研討確定標準主體內容

標準編制工作組在對收集的資料進行整理研究之后，標準編制工作組

召開了標準編制會議，對標準的整體框架結構進行了研究，并對標準的關

鍵性內容進行了初步探討。經(jīng)過研究，標準的主體內容木質纖維基重金屬

污染治理材料生產(chǎn)技術的術語和定義、生產(chǎn)工藝。

（四）調研、形成征求意見稿

廣西大學牽頭組織實施“木質纖維功能改性應用于重金屬污染綠色修

復”項目，研究解決了多吸附位點型木質纖維基多重金屬離子吸附材料制

備過程中反應物轉化率低，以及功能基團總密度低、各吸附位點不均衡的

問題，開發(fā)了高效吸附效果的木質纖維基多重金屬離子吸附材料，攻克了

低濃度多重金屬離子難以同步綠色修復的難題。項目成果在河北、湖南、

廣西、福建、云南等省份的60多個重金屬污染礦區(qū)、流域修復等工程項目

中應用，累計經(jīng)濟效益超15億元，近3年效益超9億元。在此基礎上還在

國內外核心期刊發(fā)表了《Cellulose-basedamphotericadsorbentforthe

completeremovaloflow-levelheavymetalionsviaaspecialization

andcooperationmechanism》、《Multipleactivesitescellulose-based

adsorbentfortheremovaloflow-levelCu(II),Pb(II)andCr(VI)

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viamultiplecooperativemechanisms》、《Structuraldesignofa

cellulose-basedhyperbranchedadsorbentfortherapidandcomplete

removalofCr(VI)fromwater》等100余篇。并申請發(fā)明專利：《改性造

紙污泥土壤重金屬鈍化劑的制備方法》《一種海綿狀膨潤土基復合吸附材料

及其制備方法》等60件。參與制定廣西地方標準《工業(yè)企業(yè)重金屬污染地

塊修復技術規(guī)范》《農田土壤重金屬污染修復技術規(guī)范》。為標準的制定提

供了技術支持。

2021年10月，在前期工作的基礎之上，通過理清邏輯脈絡，整合已有

的參考資料中有關木質纖維基重金屬污染治理材料生產(chǎn)的技術要求，并結

合實際要求的基礎上，按照簡化、統(tǒng)一等原則編制完成團體標準《木質纖

維基重金屬污染治理材料生產(chǎn)技術規(guī)程》（草案）。

2021年11月，標準起草工作組再次深入有代表性企業(yè)針對木質纖維基

重金屬污染治理材料生產(chǎn)情況進行分組實地調研學習。通過實地調研，掌

握各地方關于木質纖維基重金屬污染治理材料生產(chǎn)的具體要求。并實際征

求意見，通過收集反饋了大量意見，標準編制工作組多次召開會議，對標

準草案進行了反復修改和研究討論。最終形成了團體標準《木質纖維基重

金屬污染治理材料生產(chǎn)技術規(guī)程》（征求意見稿）和（征求意見稿）編制說

明。

四、標準制定原則

1、實用性原則

本標準是在充分收集相關資料和文獻，分析木質纖維基重金屬污染治

理材料生產(chǎn)技術當前現(xiàn)狀，在現(xiàn)有國家、行業(yè)標準相關技術要求的基礎上，

結合廣西大學等科研院所和相關生產(chǎn)企業(yè)多年的木質纖維基重金屬污染治

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理材料生產(chǎn)的經(jīng)驗、試驗而總結起草的。符合當前木質纖維基重金屬污染

治理材料生產(chǎn)技術發(fā)展的方向與市場需求，有利于行業(yè)的長遠發(fā)展，有利

于切實保障我區(qū)環(huán)境安全，提高土壤環(huán)境質量，對推動環(huán)保產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展，

具有較強的實用性和可操作性。

2、協(xié)調性原則

本標準編寫過程中注意了與木質纖維基重金屬污染治理材料生產(chǎn)技術

規(guī)程相關法律法規(guī)的協(xié)調問題，在內容上與現(xiàn)行法律法規(guī)、標準協(xié)調一致。

3、規(guī)范性原則

本標準嚴格按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準

化文件的結構和起草規(guī)則》的要求和規(guī)定編寫本標準的內容，保證標準的

編寫質量。

4、前瞻性原則

本標準在兼顧當前木質纖維基重金屬污染治理材料生產(chǎn)技術現(xiàn)實情況

的同時，還考慮到了環(huán)保產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的趨勢和需要，在標準中體現(xiàn)了個

別特色性、前瞻性和先進性條款，作為對木質纖維基重金屬污染治理材料

發(fā)展的指導。

五、標準主要內容及依據(jù)來源

團體標準《木質纖維基重金屬污染治理材料生產(chǎn)技術規(guī)程》主要章節(jié)

內容包括：術語和定義、生產(chǎn)工藝。

其中術語和定義，規(guī)定了木質纖維原料是以含有豐富木質素、纖維素

的農林廢棄物原料，如谷殼、蔗渣、秸稈、木屑等。木質纖維基材料是自

然界中最為豐富的高分子資源，具有來源豐富、價格低廉、環(huán)境友好等多

個優(yōu)點，通過接枝共聚方法，制備出木質纖維基吸附材料。重金屬捕捉劑

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是一種能在常溫和較寬的pH值范圍內，與廢水中的各種重金屬離子進行強

力螯合化學反應，并在短時間內迅速生成不溶性、低含水量、容易過濾去

除的絮狀沉淀，從而去除污水中重金屬離子的化學試劑。這里特指的是多

胺類重金屬離子捕捉劑（專利號：ZL201210568784.9）。

生產(chǎn)工藝包括工藝流程、生產(chǎn)設備、工藝要求。

工藝流程主要依據(jù)生產(chǎn)木質纖維基重金屬污染治理材料各過程操作進

行確定。如圖1所示。

圖1工藝流程示意圖

設備主要依據(jù)生產(chǎn)實際以及實地調研確定，明確了應具有烘干機、粉

碎機、間熱式炭化爐、攪拌罐、混合皮帶輸送機、螺旋絞刀秤、盤式攪拌

機、臥式雙鏈破碎機、振動篩、立式鏈破機、轉筒烘干機、包裝系統(tǒng)、熱

風爐、除塵系統(tǒng)等。

木質纖維基重金屬污染治理材料生產(chǎn)包括4個工藝：生物炭制備工藝、

木質纖維基吸附材料制備工藝、重金屬捕捉劑制備工藝和復混加工工藝。

生物炭制備工藝包括木質纖維原料干化、破碎和炭化。木質纖維原料

在采購、轉運、貯存過程中會吸附空氣中的水分，導致各類型材料含水量

不同，為保證粉碎、炭化過程中因含水量不均影響了粉碎和炭化效果。生

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物炭的材料特性與原材料的類型密切相關，生物炭產(chǎn)量與原料中固定碳含

量呈正相關。由于谷殼、蔗渣、秸稈、木屑等木質纖維原料粒徑大小不一，

根據(jù)工藝設備參數(shù)要求，提高后續(xù)炭化工藝生物炭產(chǎn)率。破碎至粒徑5.0

mm～10.0mm，以方便后續(xù)木質纖維原料的炭化。生物炭比表面積是衡量生

物炭性能的重要參數(shù)之一，是其與目標物質反應的場所，因此其可以決定

生物炭的吸附能力以及反應動力學。處理后的木質纖維原料在高度缺氧或

絕氧條件下通過高溫裂解后生成富碳固體產(chǎn)物，其具有特殊的孔隙結構、

強高度芳香化、較大的比表面積和較強的陽離子交換能力。谷殼、蔗渣、

秸稈、木屑等農林廢棄物包含不同量的纖維素、半纖維素、木質素和無機

灰分，纖維素、半纖維素和木質素的熱分解溫度分別為340℃、240℃和

370℃。因此溫度設定在300℃-500℃條件下高溫熱解。木質纖維原料的熱

解過程可分為失水階段、纖維素、半纖維素、木質素熱解階段和炭化階段。

在200℃前隨著溫度升高，原料處于吸熱失水階段。在200℃-400℃區(qū)間是

纖維素、半纖維素和木質素熱分解階段，是熱失重的主要階段。在此階段

木質素可發(fā)生脫水反應，部分羥基，羰基和醚鍵等官能團中化學鍵斷裂，

生成小分子化合物，或隨著熱解溫度升高，發(fā)生如交聯(lián)、環(huán)化和芳構化等

熱縮聚反應，進一步形成多環(huán)芳香化結構。在熱解溫度<500℃下熱解產(chǎn)生

的生物炭，其溶解有機碳和含氧官能團的含量較高，孔隙率和C/N比較低，

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更適合于去除重金屬（Pb+、Cd+、Cu+等）。生物炭主要是通過離子交換、

表面絡合、沉淀等相互作用去除無機污染物，有研究表明，生物炭去除重

金屬主要是通過離子交換和生物炭官能團（如-OH、-COOH、R-OH）與重

金屬離子之間的絡合作用來實現(xiàn)的。

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木質纖維基吸附材料制備工藝包括干化、破碎和改性。木質纖維基吸

附材料制備主要采用谷殼、秸稈等木質纖維原料作為原材料，將原材料在

自然風干或采用設備烘干至含水率<5%，并破碎至粒徑0.1mm～1.0mm，

以方便后續(xù)木質纖維原料與改性溶液充分反應。破碎后的木質纖維原料通

過與二硫化碳（CS2）、乙二胺四乙酸（EDTA）等溶液混合攪拌，充分利用

木質纖維基材料的空腔結構，在木質纖維材料上接枝、負載新的官能團（-S、

-COOH），增加木質纖維基材料的吸附位點，提高材料吸附性能。改性后

的木質纖維基材料經(jīng)160～200目濾網(wǎng)過濾，將木質纖維基吸附材料從改性

溶液中分離出來。

復混加工工藝可將生物炭、木質纖維基吸附材料與重金屬捕捉劑按質

量比為65%～75%：20%～30%：5%的混合比例充分攪拌混合。重金屬捕

捉劑是以多胺為原料，通過與二硫化碳反應引入二硫代氨基羧酸結構，原

料易得、合成工藝條件簡單、可操作性強、反應時間短、反應條件溫和、

節(jié)約能源、節(jié)約成本，該產(chǎn)品對重金屬離子廢水的實際處理效果良好，具

有很強的重金屬離子捕捉能力，沉降速度快，而且處理過程中所形成的重

金屬離子整合物化學性質穩(wěn)定，不會造成二次污染。

由于土壤中的重金屬多為過渡元