山西煤化所白进研究员团队在垃圾飞灰烧结-熔融固化重金属机理研究取得新进展

kongxy 2年前 (2023-05-16) 1763浏览

 

一、 【导读】 

目前，垃圾焚烧成为城市生活垃圾处理的主流方式。垃圾焚烧会产生占垃圾总量3-5 wt.%的飞灰，而飞灰中含有二噁英、呋喃等有机污染物和铬、铅、镉、汞、锌、铜等重金属，被列为危险废物，飞灰的处置不当会威胁环境安全和人类健康。热处理可以实现飞灰中的有机污染物的分解及重金属的固定，且减容和降低毒性效果好。因此，热处理成为垃圾飞灰处理的有效选择。按照产物的组成，垃圾飞灰的热处理可以分为烧结、熔融和玻璃化。然而，垃圾飞灰中重金属的挥发会造成热处理过程中的二次污染。前人研究了垃圾飞灰热处理过程中化学组成对重金属固定的影响，但是热处理过程中重金属的固化机制并不清晰。

 

二、【成果掠影】

近日，中国科学院山西煤炭化学研究所煤转化国家重点实验室白进研究员团队通过垃圾飞灰和人工配灰的热处理实验并结合热力学计算和第一性原理计算，阐明了垃圾飞灰烧结-熔融过程中重金属Zn的物理包裹和化学固定作用。其中，烧结过程中，尖晶石和黄长石中的Fe和Mg可以被Zn替代，实现对Zn的化学固定。熔融过程中，液相含量的增加提高了灰渣对ZnCl2的物理包裹作用，提高了Zn的固化率。玻璃化过程中，熔渣聚合度的增加强化了灰渣对ZnCl2的物理包裹作用，提高了Zn的固化效果。该成果以“The physical encapsulation and chemical fixation of Zn during thermal treatment process of municipal solid waste incineration (MSWI) fly ash”在Waste Management 上发表。

 

 三、【核心创新点】

  1. 阐明了垃圾飞灰熔融-烧结过程中ZnO和ZnCl2的固化机制；
  2. 明确了垃圾飞灰熔融-烧结过程中固化Zn的组成调控策略。

 

 四、【数据概览】

图1  垃圾飞灰烧结-熔融过程中重金属Zn的物理包裹和化学固定作用

图2  三元相图中垃圾飞灰和人工配灰的化学组成

图3（a）不同化学组成垃圾飞灰烧结-熔融过程中Zn的固化率；（b）1000 oC时 (烧结过程)不同化学组成垃圾飞灰中Zn的形态分布；（c）1200 oC时 (熔融过程)不同化学组成垃圾飞灰中Zn的形态分布；（d）1400 oC时 (玻璃化过程)不同化学组成垃圾飞灰中Zn的形态分布

 

图4 不同化学组成人工配灰熔融过程中的SEM-EDS结果

 

图5 烧结-熔融过程中晶体对重金属Zn化学固定的理论计算结果 (a) 热力学计算；（b）第一性原理计算

 

五、【成果启示】

调控垃圾飞灰的化学组成可以实现对重金属Zn的有效固定。在烧结过程中，垃圾飞灰的化学组成位于黄长石区域有利于Zn的固定；在玻璃化过程中，垃圾飞灰的化学组成位于钙长石区域有利于Zn的固定。

 

原文详情： https://doi.org/10.1016/j.wasman.2023.05.007

 

本文由作者供稿

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