山西煤化所白進研究員團隊在垃圾飛灰燒結-熔融固化重金屬機理研究取得新進展

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一、 【導讀】?

目前，垃圾焚燒成為城市生活垃圾處理的主流方式。垃圾焚燒會產生占垃圾總量3-5 wt.%的飛灰，而飛灰中含有二噁英、呋喃等有機污染物和鉻、鉛、鎘、汞、鋅、銅等重金屬，被列為危險廢物，飛灰的處置不當會威脅環境安全和人類健康。熱處理可以實現飛灰中的有機污染物的分解及重金屬的固定，且減容和降低毒性效果好。因此，熱處理成為垃圾飛灰處理的有效選擇。按照產物的組成，垃圾飛灰的熱處理可以分為燒結、熔融和玻璃化。然而，垃圾飛灰中重金屬的揮發會造成熱處理過程中的二次污染。前人研究了垃圾飛灰熱處理過程中化學組成對重金屬固定的影響，但是熱處理過程中重金屬的固化機制并不清晰。

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二、【成果掠影】

近日，中國科學院山西煤炭化學研究所煤轉化國家重點實驗室白進研究員團隊通過垃圾飛灰和人工配灰的熱處理實驗并結合熱力學計算和第一性原理計算，闡明了垃圾飛灰燒結-熔融過程中重金屬Zn的物理包裹和化學固定作用。其中，燒結過程中，尖晶石和黃長石中的Fe和Mg可以被Zn替代，實現對Zn的化學固定。熔融過程中，液相含量的增加提高了灰渣對ZnCl₂的物理包裹作用，提高了Zn的固化率。玻璃化過程中，熔渣聚合度的增加強化了灰渣對ZnCl₂的物理包裹作用，提高了Zn的固化效果。該成果以“The physical encapsulation and chemical fixation of Zn during thermal treatment process of municipal solid waste incineration (MSWI) fly ash”在Waste Management 上發表。

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?三、【核心創新點】

1. 闡明了垃圾飛灰熔融-燒結過程中ZnO和ZnCl₂的固化機制；
2. 明確了垃圾飛灰熔融-燒結過程中固化Zn的組成調控策略。

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?四、【數據概覽】

圖1? 垃圾飛灰燒結-熔融過程中重金屬Zn的物理包裹和化學固定作用

圖2? 三元相圖中垃圾飛灰和人工配灰的化學組成

圖3（a）不同化學組成垃圾飛灰燒結-熔融過程中Zn的固化率；（b）1000 ^oC時 (燒結過程)不同化學組成垃圾飛灰中Zn的形態分布；（c）1200 ^oC時 (熔融過程)不同化學組成垃圾飛灰中Zn的形態分布；（d）1400 ^oC時 (玻璃化過程)不同化學組成垃圾飛灰中Zn的形態分布

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圖4 不同化學組成人工配灰熔融過程中的SEM-EDS結果

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圖5 燒結-熔融過程中晶體對重金屬Zn化學固定的理論計算結果 (a) 熱力學計算；（b）第一性原理計算

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五、【成果啟示】

調控垃圾飛灰的化學組成可以實現對重金屬Zn的有效固定。在燒結過程中，垃圾飛灰的化學組成位于黃長石區域有利于Zn的固定；在玻璃化過程中，垃圾飛灰的化學組成位于鈣長石區域有利于Zn的固定。

原文詳情： https://doi.org/10.1016/j.wasman.2023.05.007

本文由作者供稿