生物降解材料在土壤污染治理與修復(fù)中的技術(shù)創(chuàng)新

關(guān)鍵詞：生物降解材料；技術(shù)創(chuàng)新；土壤修復(fù)；污染物治理；工藝創(chuàng)新中圖分類號：X53 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2025）06-0200-04DOI： 10.3969/j.issn.1008-9500.2025.06.060

Technical Innovation of Biodegradable Materials in Soil Pollution Control and Remediation

LIU Mengmeng

（Shandong Zhujiashan Environmental Technology Co.，Ltd.，Jinan25oooo，China）

Abstract：Inresponsetotheurgentdemandfornewmaterialsinthefieldofsoilpolutioncontrolandremediation，anovel starchchitosancompositebiodegradablematerialhasbeeninnovativelydeveloped.Byoptimizing thematerialpreparationprocess andinnovativelydesigningdualcroslinkedstructure，themechanicalpropertiesanddegradatonontroabilityofteateral aresignificantlyimproved.Thenewcolaborativedegradation technologyisdoptedtoachieveeficientremovalofcomposite pollutants.Adegradationprocessmonitoringsystemis innovativelyestablishedtoachieveprecisecontrolofthedegradation processTheexperimentalresultsshow that the materialhas excellentbiocompatibilityand controllable degradation while maintaining high efciency inremoving pollutants，providing innovative technical solutions forsoilpollutioncontrol. Keywords：biodegradable materials;technological innovation;soil remediation; pollutantcontrol; processinovation

土壤污染治理與修復(fù)領(lǐng)域長期面臨材料性能不足、降解過程難控等技術(shù)瓶頸。傳統(tǒng)生物降解材料在實(shí)際應(yīng)用中存在降解速率不可控、修復(fù)效果不穩(wěn)定等問題。開發(fā)新型生物降解材料并實(shí)現(xiàn)其性能創(chuàng)新突破，是提升土壤污染治理效果的關(guān)鍵。本文從材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制備工藝優(yōu)化、性能調(diào)控等方面進(jìn)行創(chuàng)新，開發(fā)出新一代土壤修復(fù)材料。

天然有機(jī)酸的交聯(lián)效果，通過調(diào)控反應(yīng)溫度和pH值，優(yōu)化交聯(lián)反應(yīng)條件，建立交聯(lián)劑與材料基體的化學(xué)鍵合機(jī)制[1]。采用紅外光譜和X射線衍射對交聯(lián)機(jī)理進(jìn)行表征，研究交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的形成過程和結(jié)構(gòu)特征。試驗(yàn)結(jié)果表明，該交聯(lián)體系在提高材料力學(xué)性能的同時(shí)，可以保持良好的生物相容性。電鏡分析顯示，交聯(lián)后材料內(nèi)部形成穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，透光電鏡下可觀察到交聯(lián)點(diǎn)分布均勻。熱重分析證實(shí)，新型交聯(lián)體系可以提升材料的熱穩(wěn)定性，突破傳統(tǒng)交聯(lián)體系的性能局限，實(shí)現(xiàn)生物降解材料制備工藝的創(chuàng)新升級。

1材料制備工藝創(chuàng)新

1.1新型交聯(lián)劑的開發(fā)與應(yīng)用 在交聯(lián)劑篩選階段，重點(diǎn)考察檸檬酸、蘋果酸等

1.2改性工藝的創(chuàng)新與優(yōu)化

超聲波處理能顯著提高改性效率，在材料改性過程中引入微孔發(fā)泡技術(shù)，形成獨(dú)特的多孔結(jié)構(gòu)。通過正交試驗(yàn)系統(tǒng)考察超聲功率、處理時(shí)間、改性溫度等工藝參數(shù)對改性效果的影響規(guī)律，建立工藝參數(shù)優(yōu)化模型[2]。淀粉-殼聚糖復(fù)合生物降解材料改性工藝流程及參數(shù)優(yōu)化關(guān)系如圖1所示。改性過程中，采用原位聚合技術(shù)，提高改性單體與基體材料的結(jié)合強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果顯示，改性后材料的吸水性和污染物吸附能力得到顯著提升，孔隙結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，比表面積增大。

1.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新突破

突破性地提出核殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，采用靜電紡絲技術(shù)制備核層載體，創(chuàng)新性地研發(fā)出雙層復(fù)合降解材料。核層選用具有優(yōu)異力學(xué)性能的生物基納米纖維，外層采用改性淀粉-殼聚糖網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。通過優(yōu)化紡絲電壓、溶液濃度、接收距離等工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)核層納米纖維的可控制備。外層包覆過程中，采用相分離技術(shù)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成[3。電鏡表征結(jié)果顯示，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使材料具有明顯的層次特征，核層纖維取向均勻，外層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)致密。

2性能提升技術(shù)創(chuàng)新

2.1力學(xué)性能增強(qiáng)技術(shù)

研發(fā)基于多重交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的力學(xué)增強(qiáng)技術(shù)，在材料基體中構(gòu)建物理交聯(lián)和化學(xué)交聯(lián)協(xié)同作用的立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。通過引入納米纖維素作為增強(qiáng)相，采用原位聚合技術(shù)實(shí)現(xiàn)纖維與基體的共價(jià)鍵合。開發(fā)超聲波輔助分散技術(shù)，解決增強(qiáng)相團(tuán)聚問題，使納米纖維在基體中呈現(xiàn)均勻分布狀態(tài)。在增強(qiáng)過程中，利用等離子體處理技術(shù)改善界面結(jié)合性能[4]。力學(xué)性能測試表明，改性后材料的抗拉強(qiáng)度顯著提升，斷裂伸長率保持在較高水平。掃描電鏡觀察顯示，材料斷面呈現(xiàn)韌性斷裂特征，增強(qiáng)相與基體結(jié)合緊密。

2.2選擇性吸附性能優(yōu)化

研發(fā)分子印跡改性技術(shù)，在材料表面構(gòu)建具有選擇性識別功能的活性位點(diǎn)。通過表面刻蝕技術(shù)，增加材料的比表面積和孔隙率。材料對污染物的吸附過程遵循準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)方程，如式（1）所示。吸附等溫線符合Langmuir方程，如式（2）所示。采用等離子體處理技術(shù)，在材料表面引入活性官能團(tuán)，增強(qiáng)材料與污染物的相互作用。材料表面電位 ζ 與 ΔpH 值的關(guān)系滿足式（3）要求。吸附性能測試顯示，改性后材料對重金屬離子和有機(jī)污染物表現(xiàn)出良好的選擇性。研究發(fā)現(xiàn)，表面活性位點(diǎn)的密度與吸附容量呈正相關(guān)。開發(fā)的表面改性工藝具有操作簡便、效果穩(wěn)定的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)材料吸附性能的定向優(yōu)化。

ζ=-59.1×（pH-pH_PZC）

式中： q_t 為 t 時(shí)刻的吸附量， mg/g ： q_e 為平衡吸附量， mg/g ： k₂ 為準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)速率常數(shù)； C_e 為平衡濃度， mg/L ： q_m 為最大吸附容量， mg/g ： K_L 為Langmuir常數(shù)； pH_PZC 為材料表面零電位點(diǎn)。

2.3環(huán)境適應(yīng)性提升技術(shù)

針對復(fù)雜土壤環(huán)境，開發(fā)材料結(jié)構(gòu)調(diào)控技術(shù)，提升材料在不同 pH 值、溫度和離子強(qiáng)度條件下的穩(wěn)定性。采用多層復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在材料表面構(gòu)建保護(hù)層。研制耐酸堿改性劑，通過表面接枝提高材料的化學(xué)穩(wěn)定性。利用溫敏性單體改性，使材料在不同溫度下保持良好的性能。結(jié)構(gòu)表征顯示，改性后材料在極端環(huán)境下結(jié)構(gòu)完整，功能穩(wěn)定。野外試驗(yàn)證實(shí)，該材料在不同氣候條件下均表現(xiàn)出良好的適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)全天候應(yīng)用。開發(fā)的環(huán)境適應(yīng)性提升技術(shù)可以解決材料使用受限問題，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。

3污染物去除機(jī)理創(chuàng)新

3.1新型協(xié)同降解技術(shù)

在材料表面負(fù)載光催化劑 TiO₂ ，通過等離子體處理技術(shù)提高催化劑分散性。引入耐污染菌株，構(gòu)建光催化－微生物協(xié)同降解體系。光催化過程產(chǎn)生的活性氧促進(jìn)微生物降解，微生物代謝產(chǎn)物提高光催化性能。試驗(yàn)研究表明，該協(xié)同體系對有機(jī)污染物的降解速率提升顯著。電鏡分析顯示，降解過程中，微生物在材料表面形成生物膜，與光催化劑形成緊密結(jié)合。光催化－生物協(xié)同作用不僅加快污染物降解，還減少中間產(chǎn)物的毒性。

3.2智能響應(yīng)釋放機(jī)制

開發(fā) pH 值響應(yīng)型載體材料，實(shí)現(xiàn)降解菌群的定向釋放。通過表面接枝 pH 值敏感基團(tuán)，使材料在酸性條件下發(fā)生結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。設(shè)計(jì)具有空間層次的多孔結(jié)構(gòu)，將功能菌株包埋其中。在污染環(huán)境pH值變化觸發(fā)下，材料孔道開啟，降解菌群定向釋放。研究發(fā)現(xiàn)，材料的響應(yīng)時(shí)間與 ΔpH 值變化程度密切相關(guān)。熒光示蹤試驗(yàn)顯示，菌群釋放過程呈現(xiàn)脈沖式特征，避免一次性全部釋放。

3.3降解過程監(jiān)測新方法

研發(fā)基于光纖傳感的原位監(jiān)測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)降解過程的實(shí)時(shí)跟蹤。污染物濃度變化符合一級動(dòng)力學(xué)方程，如式（4）所示。采用式（5）計(jì)算降解效率 η 。污染物降解活化能通過Arrhenius方程計(jì)算，如式（6）所示。開發(fā)專用監(jiān)測軟件，建立污染物濃度與光譜響應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)曲線。

式中： C_t 為 t 時(shí)刻污染物濃度， mg/L ; C₀ 為初始 濃度， mg/L ： k 為降解速率常數(shù)， min^-1 ： A 為指前因子； E_a 為活化能， ： R 為氣體常數(shù)； T 為溫度， K

4應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新與驗(yàn)證

4.1原位注入新工藝

研發(fā)高壓旋轉(zhuǎn)噴射注入工藝，解決傳統(tǒng)注入方式易堵塞、分布不均的技術(shù)難題。采用分段式噴射技術(shù)，在不同深度進(jìn)行材料注人，實(shí)現(xiàn)污染土壤的立體修復(fù)。創(chuàng)新設(shè)計(jì)具有自清潔功能的噴頭結(jié)構(gòu)，有效防止噴嘴堵塞。通過壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測注入壓力，建立壓力與注入量的關(guān)系模型。現(xiàn)場應(yīng)用表明，該工藝使材料在土壤中呈放射狀擴(kuò)散，顯著提高與污染物的接觸面積。注入過程監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，材料在土壤中的擴(kuò)散半徑達(dá)到預(yù)期要求，形成連續(xù)的處理帶。

4.2協(xié)同修復(fù)新方案

開發(fā)“生物－化學(xué)-物理”三重協(xié)同修復(fù)方案，建立污染物多途徑去除體系，如圖2所示。在修復(fù)過程中，生物降解材料與化學(xué)氧化劑配合使用，物理吸附與生物降解形成補(bǔ)充。研制專用的氧化劑緩釋裝置，調(diào)控氧化劑的釋放速率。現(xiàn)場試驗(yàn)證明，三重協(xié)同作用顯著提高修復(fù)效率。修復(fù)方案引入土壤改良劑，改善微生物生長環(huán)境。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，該方案對不同類型污染物均表現(xiàn)出良好的去除效果。創(chuàng)新性地采用土壤分層處理技術(shù)，解決污染物垂直遷移問題。

4.3修復(fù)效果評價(jià)新方法

研發(fā)基于多源信息融合的修復(fù)效果評價(jià)體系，集成化學(xué)分析、生物測試和遙感監(jiān)測等技術(shù)手段。創(chuàng)新性地建立土壤健康評價(jià)指標(biāo)體系，包括理化指標(biāo)、生物指標(biāo)和生態(tài)指標(biāo)3個(gè)層面。開發(fā)便攜式快速檢測設(shè)備，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場即時(shí)評價(jià)。利用地理信息系統(tǒng)，繪制污染物空間分布動(dòng)態(tài)圖。評價(jià)結(jié)果顯示，修復(fù)后土壤各項(xiàng)指標(biāo)明顯改善。

5結(jié)論

通過材料制備、性能提升、去除機(jī)理和應(yīng)用技術(shù)等多方面的創(chuàng)新，成功開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型土壤修復(fù)材料。該材料在降解可控性、污染物去除效率和工程應(yīng)用等方面均實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新，突破傳統(tǒng)生物降解材料的性能局限。這些創(chuàng)新性成果為土壤污染治理提供新的技術(shù)路線，對推動(dòng)環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步具有重要意義。

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