《木质纤维基重金属污染治理材料生产技术规程编制说明》

一、项目来源

根据《广西标准化协会关于下达2021年第三十四批团体标准制修订项

目计划的通知》(桂标协[2021]92号)文件精神，由广西大学提出，广西大学、

广西博世科环保科技股份有限公司共同起草的团体标准《木质纤维基重金

属污染治理材料生产技术规程》。

二、项目背景及目的意义

由于我国经济发展方式粗放，产业结构和布局不合理，污染物排放总

量居高不下，部分地区土壤、水体污染严重，随着我国国民经济的高速发

展和城镇人口的急剧增加，各种有毒有害重金属元素通过多种途径进入农

田土壤、江、河，造成各种有毒有害重金属元素富集，使得各地相继出现

了严重的重金属污染事件，而且重金属污染问题日益凸显，对农产品质量

安全和人体健康构成了严重威胁。

我国部分地区土壤污染较重，耕地土壤环境质量堪忧，工矿业废弃地

土壤环境问题突出，根据《全国土壤污染状况调查公报》显示，全国土壤

总的点位超标率为16.1%，耕地土壤点位超标率分别为19.4%。据不完全调

查，全国受污染的耕地约有1.5亿亩，污水灌溉污染耕地3250万亩，固体废

弃物堆存占地和毁田200万亩，合计约占耕地总面积的1/10以上，其中多数

集中在经济较发达的地区。严重的土壤污染造成巨大危害。据估算，全国

每年因重金属污染的粮食达1200万吨，造成的直接经济损失超过200亿元。

在我国有大量的废水不经处理便排放到水体中，使得水中的悬浮物、有机

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物和重金属超标。调查数据显示：我国江河湖库底质的污染率高达80.1%。

黄河、淮河、松花江等十大流域重金属超标断面的污染成都均超Ⅴ类。我

国的七大水系中，长江水系镉污染情况仅次于COD、BOD以及汞污染；黄河

水系总镉含量超标的断面达到16.7%。

由于一般重金属微量即可产生显著毒性效应，不能被微生物降解，且

被生物体摄取后能在较高级的生物体内成千百倍地富集起来，并与生物高

分子(如蛋白质、酶等)发生强烈相互作用而使它们失去活性，也可积累在

某些器官中造成累积性中毒，是一类对人类危害极大的污染物。由于重金

属不能被微生物降解，对环境介质的污染具有隐蔽性、长期性和累积性等

特点，至今尚未找到普适有效的治理方法。

目前，采用的修复和治理的方法有：1、物理法，包括膜分离法（RO反

渗透）、吸附法、溶剂萃取法、离子交换法、蒸发浓缩法等；2、化学法，

包括化学沉淀法、电化学法；3、生物法，包括生物修复法、生物絮凝法、

生物吸附法。其中吸附法是公认的操作简单，成本低的方法。其具有高比

表面积、强吸附性、高活性，又具有结构稳定、抗团聚的废水吸附、土壤

修复材料，是治理污染的关键。

用于重金属处理的吸附材料按来源可分为天然吸附材料、合成吸附材

料和生物吸附材料等几种类型。按化学成分，天然吸附材料可分为天然无

机吸附材料和天然有机吸附剂两种类型。此外，还有为克服天然吸附材料

本身的缺陷，提高吸附性能，对天然吸附材料进行改性的改性天然吸附材

料。天然无机吸附材料主要为天然矿物及经过简单加工处理的产物。

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应用于重金属吸附的主要有坡缕石、海泡石、蛭石、黏土矿物、沸石、

高岭土、膨润土、凹凸棒石和硅藻土等。天然有机吸附材料主要是农林业

副产物及其加工过程产生的废弃物，主要有木纤维、玉米杆、稻壳、木屑、

树皮和壳聚糖等。虽然来源广泛、易得、价廉且无毒，但由于本身结构上

的局限和缺陷，一般对重金属离子的吸附容量较小，吸附效率低，选择性

差，再生困难，易产生大量含重金属的废弃物而造成二次污染。因此通过

对天然吸附材料的改性，克服了缺陷，提高了吸附性能，得到了较好的发

展。

木质纤维是地球上丰富的可再生资源，我国每年60%以上的木质纤维基

材成为农林废弃物，随意堆放或焚烧，不仅造成资源浪费，而且带来了严

重的环境污染。木质纤维基通过改性不仅可用于重金属废水治理，还可用

于制作有机钝化剂用于重金属污染土壤治理。由于土壤中的重金属多为过

渡元素，它们的化合价易随农田土壤pH、Eh等环境条件的变化而变化。重

金属形态不同，其稳定性和生物有效性也存在较大的差异，因此针对不同

的重金属所采用的钝化材料有一定的差异性。目前应用于固化/稳定化的改

良剂研究较多，据研究结果统计显示，可以有效地固化/稳定化土壤重金属、

减少植物对重金属积累作用的材料有石灰、磷灰石、沸石、铁锰氧化物、

硅酸盐、海泡石、赤泥、骨炭、堆肥、钢渣、蒙脱石、凹凸棒石和蛭石等。

另外，多种金属氧化物、黏土矿物、有机质、高分子聚合物、生物材料也

被广泛作为改良剂材料使用。广西地区因其地质结构特点，在纤维基钝化

材料用于修复重金属污染土壤的研究具备资源优势，如针对镉污染土壤钝

化材料，广西地区具有的优势原材料有蚕沙、膨润土、高岭土、赤泥、蔗

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渣、钾长石、沸石；针对铬污染土壤钝化，广西地区的优势原材料有钾长

石、沸石、蔗渣生物质炭、膨润土、泥炭等五种原材料，研究表明，以上

材料作改性处理后对铬的钝化修复效率越高、作用越稳定。广西的木质纤

维资源丰富，是世界10大产糖区之一，根据2019年度统计年鉴，广西自治

区年产农业秸秆总量约4598.6万吨，主要来源于甘蔗、水稻、玉米、蔬菜、

水果、薯类及木薯等农作物，其中以甘蔗、水稻秸秆量占比率较高。甘蔗

种植面积900万亩左右，以甘蔗为材料发展的制糖产业是广西经济发展的重

要支柱，蔗渣产量高达1700多吨，蔗渣可进行改性，配合铁类和铝（锰）

氧化物等钝化剂等联合使用，不仅能高效钝化修复砷污染的土壤，还能减

少每年因燃烧大量秸秆带来的大气问题。

木质纤维孔隙率高、活性位点多，具有制备高性能重金属吸附材料的

加工属性和改性潜力。但是传统的木质纤维基吸附材料主要存在以下问题：

（1）难实现低浓度多重金属离子的同步高效去除；

（2）木质纤维的常规非均相改性方法存在反应物转化率低；

（3）功能基团总密度低；

（4）各吸附位点不均衡；

（5）生产过程步骤多、改性成本高等弊端，极大限制了木质纤维材料

在重金属污染治理领域的产业化应用。

因此，通过制订团体标准《木质纤维基重金属污染治理材料生产技术

规程》，以标准化为抓手，采用优势木质纤维为原料，研究新型木质纤维改

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性方法、生产绿色高效重金属污染治理材料，配套技术装备，将绿色修复

理念应用于重金属污染防治工程实践已迫在眉睫。

三、项目编制过程

（一）成立标准编制工作组

团体标准《木质纤维基重金属污染治理材料生产技术规程》项目任务

下达后，广西大学成立了标准编制工作组，起草单位制定了起草编写方案

与进度安排，明确任务职责，确定工作技术路线，开展标准研制工作。具

体标准编制工作由广西大学、广西博世科环保科技股份有限公司等起草单

位组成标准编制工作组。

编制工作组下设三个组，分别是资料收集组、草案编写组、标准实施

组。

资料收集组负责国内外有关木质纤维基重金属污染治理材料生产技术

的文献资料的查询、收集和整理工作，查阅前人对木质纤维基重金属污染

治理材料生产的研究情况和目前科学界对木质纤维基重金属污染治理材料

生产技术的研究进展。

草案编写组负责起草标准草案、征求意见稿和标准编制说明、送审稿

及编制说明的编写工作，包括后期召开征求意见会、网上征求意见，以及

标准的不断修改和完善。

标准实施组负责《木质纤维基重金属污染治理材料生产技术规程》标

准发布后，组织相关企业开展标准宣贯培训会，对标准进行详细解读，让

相关人员了解标准，并根据标准对木质纤维基重金属污染治理材料生产等

进行规范化操作，为切实保障我区环境安全，提高土壤环境质量，并对标

准实施情况进行总结分析，不断对标准提出修正意见。

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（二）收集整理文献资料

标准编制工作组收集了国内有关重金属污染治理材料相关文献资料。

主要有：

《DB45/T2144-2020工业企业重金属污染地块修复技术规范》

《重金属吸附材料的研究进展》

（三）研讨确定标准主体内容

标准编制工作组在对收集的资料进行整理研究之后，标准编制工作组

召开了标准编制会议，对标准的整体框架结构进行了研究，并对标准的关

键性内容进行了初步探讨。经过研究，标准的主体内容木质纤维基重金属

污染治理材料生产技术的术语和定义、生产工艺。

（四）调研、形成征求意见稿

广西大学牵头组织实施“木质纤维功能改性应用于重金属污染绿色修

复”项目，研究解决了多吸附位点型木质纤维基多重金属离子吸附材料制

备过程中反应物转化率低，以及功能基团总密度低、各吸附位点不均衡的

问题，开发了高效吸附效果的木质纤维基多重金属离子吸附材料，攻克了

低浓度多重金属离子难以同步绿色修复的难题。项目成果在河北、湖南、

广西、福建、云南等省份的60多个重金属污染矿区、流域修复等工程项目

中应用，累计经济效益超15亿元，近3年效益超9亿元。在此基础上还在

国内外核心期刊发表了《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。并申请发明专利：《改性造

纸污泥土壤重金属钝化剂的制备方法》《一种海绵状膨润土基复合吸附材料

及其制备方法》等60件。参与制定广西地方标准《工业企业重金属污染地

块修复技术规范》《农田土壤重金属污染修复技术规范》。为标准的制定提

供了技术支持。

2021年10月，在前期工作的基础之上，通过理清逻辑脉络，整合已有

的参考资料中有关木质纤维基重金属污染治理材料生产的技术要求，并结

合实际要求的基础上，按照简化、统一等原则编制完成团体标准《木质纤

维基重金属污染治理材料生产技术规程》（草案）。

2021年11月，标准起草工作组再次深入有代表性企业针对木质纤维基

重金属污染治理材料生产情况进行分组实地调研学习。通过实地调研，掌

握各地方关于木质纤维基重金属污染治理材料生产的具体要求。并实际征

求意见，通过收集反馈了大量意见，标准编制工作组多次召开会议，对标

准草案进行了反复修改和研究讨论。最终形成了团体标准《木质纤维基重

金属污染治理材料生产技术规程》（征求意见稿）和（征求意见稿）编制说

明。

四、标准制定原则

1、实用性原则

本标准是在充分收集相关资料和文献，分析木质纤维基重金属污染治

理材料生产技术当前现状，在现有国家、行业标准相关技术要求的基础上，

结合广西大学等科研院所和相关生产企业多年的木质纤维基重金属污染治

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理材料生产的经验、试验而总结起草的。符合当前木质纤维基重金属污染

治理材料生产技术发展的方向与市场需求，有利于行业的长远发展，有利

于切实保障我区环境安全，提高土壤环境质量，对推动环保产业健康发展，

具有较强的实用性和可操作性。

2、协调性原则

本标准编写过程中注意了与木质纤维基重金属污染治理材料生产技术

规程相关法律法规的协调问题，在内容上与现行法律法规、标准协调一致。

3、规范性原则

本标准严格按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准

化文件的结构和起草规则》的要求和规定编写本标准的内容，保证标准的

编写质量。

4、前瞻性原则

本标准在兼顾当前木质纤维基重金属污染治理材料生产技术现实情况

的同时，还考虑到了环保产业快速发展的趋势和需要，在标准中体现了个

别特色性、前瞻性和先进性条款，作为对木质纤维基重金属污染治理材料

发展的指导。

五、标准主要内容及依据来源

团体标准《木质纤维基重金属污染治理材料生产技术规程》主要章节

内容包括：术语和定义、生产工艺。

其中术语和定义，规定了木质纤维原料是以含有丰富木质素、纤维素

的农林废弃物原料，如谷壳、蔗渣、秸秆、木屑等。木质纤维基材料是自

然界中最为丰富的高分子资源，具有来源丰富、价格低廉、环境友好等多

个优点，通过接枝共聚方法，制备出木质纤维基吸附材料。重金属捕捉剂

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是一种能在常温和较宽的pH值范围内，与废水中的各种重金属离子进行强

力螯合化学反应，并在短时间内迅速生成不溶性、低含水量、容易过滤去

除的絮状沉淀，从而去除污水中重金属离子的化学试剂。这里特指的是多

胺类重金属离子捕捉剂（专利号：ZL201210568784.9）。

生产工艺包括工艺流程、生产设备、工艺要求。

工艺流程主要依据生产木质纤维基重金属污染治理材料各过程操作进

行确定。如图1所示。

图1工艺流程示意图

设备主要依据生产实际以及实地调研确定，明确了应具有烘干机、粉

碎机、间热式炭化炉、搅拌罐、混合皮带输送机、螺旋绞刀秤、盘式搅拌

机、卧式双链破碎机、振动筛、立式链破机、转筒烘干机、包装系统、热

风炉、除尘系统等。

木质纤维基重金属污染治理材料生产包括4个工艺：生物炭制备工艺、

木质纤维基吸附材料制备工艺、重金属捕捉剂制备工艺和复混加工工艺。

生物炭制备工艺包括木质纤维原料干化、破碎和炭化。木质纤维原料

在采购、转运、贮存过程中会吸附空气中的水分，导致各类型材料含水量

不同，为保证粉碎、炭化过程中因含水量不均影响了粉碎和炭化效果。生

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物炭的材料特性与原材料的类型密切相关，生物炭产量与原料中固定碳含

量呈正相关。由于谷壳、蔗渣、秸秆、木屑等木质纤维原料粒径大小不一，

根据工艺设备参数要求，提高后续炭化工艺生物炭产率。破碎至粒径5.0

mm～10.0mm，以方便后续木质纤维原料的炭化。生物炭比表面积是衡量生

物炭性能的重要参数之一，是其与目标物质反应的场所，因此其可以决定

生物炭的吸附能力以及反应动力学。处理后的木质纤维原料在高度缺氧或

绝氧条件下通过高温裂解后生成富碳固体产物，其具有特殊的孔隙结构、

强高度芳香化、较大的比表面积和较强的阳离子交换能力。谷壳、蔗渣、

秸秆、木屑等农林废弃物包含不同量的纤维素、半纤维素、木质素和无机

灰分，纤维素、半纤维素和木质素的热分解温度分别为340℃、240℃和

370℃。因此温度设定在300℃-500℃条件下高温热解。木质纤维原料的热

解过程可分为失水阶段、纤维素、半纤维素、木质素热解阶段和炭化阶段。

在200℃前随着温度升高，原料处于吸热失水阶段。在200℃-400℃区间是

纤维素、半纤维素和木质素热分解阶段，是热失重的主要阶段。在此阶段

木质素可发生脱水反应，部分羟基，羰基和醚键等官能团中化学键断裂，

生成小分子化合物，或随着热解温度升高，发生如交联、环化和芳构化等

热缩聚反应，进一步形成多环芳香化结构。在热解温度<500℃下热解产生

的生物炭，其溶解有机碳和含氧官能团的含量较高，孔隙率和C/N比较低，

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更适合于去除重金属（Pb+、Cd+、Cu+等）。生物炭主要是通过离子交换、

表面络合、沉淀等相互作用去除无机污染物，有研究表明，生物炭去除重

金属主要是通过离子交换和生物炭官能团（如-OH、-COOH、R-OH）与重

金属离子之间的络合作用来实现的。

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木质纤维基吸附材料制备工艺包括干化、破碎和改性。木质纤维基吸

附材料制备主要采用谷壳、秸秆等木质纤维原料作为原材料，将原材料在

自然风干或采用设备烘干至含水率<5%，并破碎至粒径0.1mm～1.0mm，

以方便后续木质纤维原料与改性溶液充分反应。破碎后的木质纤维原料通

过与二硫化碳（CS2）、乙二胺四乙酸（EDTA）等溶液混合搅拌，充分利用

木质纤维基材料的空腔结构，在木质纤维材料上接枝、负载新的官能团（-S、

-COOH），增加木质纤维基材料的吸附位点，提高材料吸附性能。改性后

的木质纤维基材料经160～200目滤网过滤，将木质纤维基吸附材料从改性

溶液中分离出来。

复混加工工艺可将生物炭、木质纤维基吸附材料与重金属捕捉剂按质

量比为65%～75%：20%～30%：5%的混合比例充分搅拌混合。重金属捕

捉剂是以多胺为原料，通过与二硫化碳反应引入二硫代氨基羧酸结构，原

料易得、合成工艺条件简单、可操作性强、反应时间短、反应条件温和、

节约能源、节约成本，该产品对重金属离子废水的实际处理效果良好，具

有很强的重金属离子捕捉能力，沉降速度快，而且处理过程中所形成的重

金属离子整合物化学性质稳定，不会造成二次污染。

由于土壤中的重金属多为过渡元