网络首发||陈梦君教授：飞灰真空熔融处理过程污染物变化研究

创新点

高温焚烧是处理生活垃圾最常用的方法。焚烧产生的飞灰含有多种重金属、氯化盐、二噁英等有害物质，严重影响生态环境和人体健康。真空熔融依靠低饱和蒸气压，能有效降低飞灰处理的温度，提高有害物质挥发速度，降低处理成本。通过调控处理温度、真空度和保温时间等参数，研究飞灰熔融过程结构转化和成分变化，分析重金属、氯化物、二噁英的迁移转化规律，查明飞灰真空熔融最佳条件为温度1400℃、真空度100Pa和保温处理时间3h。为飞灰真空熔融处置提供一系列的重要参数，为实现飞灰无害化和资源处置提供工艺参数和实践指导。

通讯作者简介

陈梦君教授

陈梦君，西南科技大学环境与资源学院教授，固体废物处理与资源化教育部重点实验室副主任，长期从事固体废物污染控制与循环利用研究。入选四川省学术和技术带头人后备人选，获省部级奖2项，主持了包括4项国家自然科学基金在内的10余项国家/省部级项目，以第一作者/通讯作者在Environmental Science &Technology、Journal of Power Source, Environment International、 Resource Conservation & Recycling等TOP期刊发表论文60余篇。担任中国环境科学学会固体废物分会副秘书长、中国物资再生协会电子产品回收利用分会副会长、中国绿色供应链联盟资源综合利用专委会副主任、生态环境部固体废物与化学品管理技术中心专家、四川省省奖会评专家、中国有色金属学会有色冶金资源综合利用专业委员会委员。

第一作者简介

董庆元讲师

董庆元，西南科技大学讲师，硕士生导师。主要研究方向是锂电废弃物高值化回收与高能量密度电极体系开发，主持并参与多项国家自然科学基金，以第一作者身份在Energy Storage Materials、ACS Applied Materials & Interfaces等高水平期刊发表SCI论文多篇，申请发明专利5项。

飞灰真空熔融处理过程污染物变化研究

作者

董庆元¹，周松山¹，郑豪¹，田洋²，宋传京²，冮海银¹，舒建成¹，王蓉³，陈梦君^1,*

单位

1. 西南科技大学固体废物处理与资源化教育部重点实验室

2. 深圳星河环境股份有限公司

3. 西南科技大学国防科技学院

基金项目

1. 中央引导地方科技发展资金项目（2023ZYDF011）

2. 西南科技大学博士基金资助项目（24zx7136）

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摘要

高温焚烧是处理生活垃圾最常用的方法，能够实现垃圾的减量化和无害化处置。然而，生活垃圾焚烧产生的飞灰中含有多种重金属、氯化盐、二噁英等有害物质，若处理不当，将严重影响生态环境和人体健康。通过真空熔融处理飞灰，可以高效去除重金属和氯化盐，快速分解二噁英，从而显著降低飞灰毒性。本研究通过调控处理过程中的温度、真空度和保温处理时间等参数，发现飞灰真空熔融处理的最佳条件为温度1400℃、真空度100Pa和保温处理时间3h。在最佳处理条件下，XRD物相表征表明，飞灰中NaCl和KCl物质消失，出现Ca、Si、Al等元素的复合矿物晶相。同时，飞灰中的总氯及可溶性氯的去除效率分别达到92.00%和96.85%。此外，多种重金属和二噁英的含量显著降低，其中Cu、Zn、Pb、Cd的去除率分别为81.34%、89.26%、90.86%和88.00%；二噁英的去除率超过96%。处理后的飞灰通过EDTA、DTPA等方法测试，重金属的浸出浓度降低，浸出毒性低于标准限值。真空高温熔融技术在飞灰高效处置领域具有广阔的前景，本研究为飞灰减量化、无害化和资源化处理技术提供了参考。

研究背景

随着我国的城市化率逐步增加，城市日常生活产生的生活垃圾成分复杂，数量庞大。目前超过80%的生活垃圾通过焚烧法处理，利用燃烧产热发电，同时可以富集部分有价金属，实现能源与资源回收，产生部分经济效益。然而，城市生活垃圾包含许多重金属，难降解塑料等物质，在高温焚烧过程中会产生飞灰。飞灰中含有大量的氯化盐、重金属、二噁英等有害物质，被列入《国家危险废物名录》（HW18）。据估计，我国每年产出约900万t生活垃圾焚烧飞灰。如何合理有效地处置垃圾焚烧飞灰，已成为制约城市文明可持续发展的关键问题之一。

生活垃圾焚烧飞灰中氯、重金属含量高，含有二噁英及呋喃等持久性污染物，因此必须妥善处理，否则危及环境安全与人体健康。目前国内外针对生活垃圾焚烧飞灰的处理方式，分为固化稳定化技术、分离提取技术与热处理技术。

（1）固化稳定化技术

固化稳定化技术是处理危险废物的关键手段，可分为固化与稳定化。固化处理采用物理或化学方式，将固体废物中有毒重金属等物质通过惰性材料（物理性隔绝）和化学药剂（化学反应引入分子晶格中）隔离固体废物中有毒有害成分，实现无害化处理的目的。稳定化处理技术是利用物理和化学方法固定或转化固体废物中的重金属等有害物质，抑制其在环境中的迁移与扩散，有效降低环境污染风险。固化稳定化技术已广泛应用于处理矿渣尾矿、高重金属含量的土壤、垃圾焚烧灰及污泥等飞灰处理中，取得的成效显著。工业应用中，通过添加水泥、沥青、石灰等固化材料，混合焚烧飞灰经缓慢凝固形成坚硬稳定的固化体。在水泥固化过程中，飞灰包含的重金属通过物理化学吸附、沉降、离子交换等一系列固化反应降低飞灰的危害性。BIE等研究了水泥掺比、pH和浸出时间等参数对固化体中的重金属浸出率影响。化学稳定法是指化学药剂与飞灰中的重金属和二噁英等污染物发生反应，转变为难溶解、难扩散、毒性低的一类物质。化学试剂分为有机稳定剂（有机磷酸盐、有机硫药剂、壳聚糖衍生物）、无机稳定剂（硫化物、磷酸碳酸盐、石灰）2种。有机稳定化处理应用中，因为螯合物对重金属有选择性，所以常联合使用药剂稳定二噁英和重金属，飞灰中的重金属物质与试剂络合为难溶性的稳定络合物。WANG等系统研究了六硫代胍基甲酸（SGA）、四硫代联氨基甲酸（TBA）等不同稳定剂对飞灰中重金属的固化稳定效果。结果表明，由于SGA的多齿结构以及TBA二硫代羧酸基团的可聚合性，与镉、镍、铅和锌等重金属离子聚合形成稳定的配位复合物和链状配位物，呈现出优异的固化稳定性。

尽管飞灰稳定化技术具有一定优势，但稳定后的固化体在长期使用和存放过程中，结构强度变化引起的裂隙会导致固化的有害物质外扩，引起环境污染。因此该技术在实际应用过程中受限。

（2）分离提取技术

生活垃圾焚烧飞灰中含有大量有价金属，加入酸碱或其他生物溶剂，提取飞灰中的有价金属，经处理后的残渣可以进入一般填埋场或用作其他建材原料。酸试剂可以提取飞灰中的部分金属，同时将危险飞灰转为一般固废，用作建筑材料的二次原料。飞灰水溶液呈碱性，若直接采用酸浸取方式，会消耗大量的酸试剂，因此加入水洗预处理步骤，降低试剂消耗，减少处理成本。TIAN等研究表明，酸、碱、水洗等方式混合处理飞灰，能够高效降低混合飞灰中氯含量。尽管分离提取技术可以实现有价成分的回收，但是使用酸碱试剂会产生大量的二次污染废水，占用大量的处理场地，产生处理费用。在技术推广上，需要开发高效低污染的分离提取试剂。

（3）热处理技术

飞灰中氯及重金属含量高，高温处理可同步去除氯和重金属；此外，高温处理同样能有效去除飞灰中二噁英类物质。热处理可以极大程度降低飞灰危害性，减容、减重效果良好。热处理技术根据不同的温度区间，分为高温烧结法（1000℃左右）和高温熔融/玻璃化（1400℃左右）。通过控制处理温度和热处理时间，飞灰中的重金属在热处理过程中转化为高致密的玻璃质分子结构。这一过程不仅降低了飞灰污染物毒性，还可制成建材原料、微晶玻璃、玻璃化产物等。因此，飞灰的资源化利用潜力大。

烧结技术是利用中高温度对飞灰或飞灰混合物进行热处理。WANG等借助机械压力，将垃圾焚烧飞灰在低温（400℃）下烧结制成高强度陶瓷制品，这有别于传统的低温烧结工艺。在400℃和100MPa下获得的最大抗压强度为（218.30±4.08）MPa，其性能远高于砖和水泥等常规建筑材料。SHAO等利用飞灰、土壤、污泥、黏土制陶粒，其在最佳条件下抗压强度为37.84MPa，重金属的浸出远低于国家标准（GB 5085.3—2007）。

高温熔融技术是使用燃料或者电加热到1400 ℃以上，将飞灰融化，分解二噁英等有害物质，金属氯盐挥发、重金属去除，无机物熔融，在快速冷却的过程中形成玻璃状致密结构，达到稳定化效果。CHENG等探讨了利用生活垃圾焚烧炉飞灰生产玻璃和微晶玻璃材料的工艺可行性。通过高温熔融技术制备淬火玻璃，随后将淬火玻璃粉压制并经过一步烧结及不同温度（850、900、950、1000和1050℃）的热处理，成功制备出微晶玻璃。所得材料以钙黄长石（Ca₂Al₂SiO₇）为主晶相，形成多孔玻璃陶瓷材料，提供了新的飞灰热处理资源化利用途径。

真空熔融法是指低于大气压（1.01×10⁵Pa）至超高真空条件下进行的热处理手段。同一温度、真空条件下，各物质的饱和蒸气压力和熔融蒸发挥发速率各不相同，通过部分物质选择性去除以获得纯物质，或实现特定金属的去除。该方法主要用于提纯沸点较低物质，如Hg、Zn、Se、Mg、Be及某些稀土金属等。DEMIR等探究了氮化硅与3%MgO 粉末混合物压制后，氮化硅坩埚在1600℃炭炉中真空热处理30min，制成密度为3140kg/m³无玻璃陶瓷坩埚，已成功用于熔融铝和铜的热处理。SUMOMOGI等在3.6×10⁻⁶Pa的真空中熔化30min处理6N级铝，凝固后测得残留电阻率为40000Ω·m，样品纯度提高。

与烧结技术和高温熔融技术相比，真空熔融依靠低饱和蒸气压，能有效降低飞灰处理的温度，提高有害物质的挥发速度，降低处理成本；且可以直接将飞灰转化为可利用材料，提升经济价值，是处理处置飞灰的最佳手段。因此，本论文采用真空熔融，通过调控真空熔融过程的温度、时间和真空度，详细分析不同条件下飞灰样品中重金属、氯化物、二噁英和形貌的变化，得出最佳的处理条件，实现高效处理飞灰，使飞灰中的重金属、氯化物快速挥发，快速分解飞灰中的二噁英。真空熔融处理飞灰，可以显著降低飞灰中的污染物含量，降低飞灰毒性，是一种高效实用的处理手段，为飞灰高效处理处置和资源回收提供重要的参考依据。

部分图表

图1 不同保温时间处理飞灰样品SEM图

图2 真空度对飞灰真空熔融重金属的去除影响

图3 飞灰真空熔融处理样中二噁英及同系物浓度

引文格式

董庆元, 周松山, 郑豪, 田洋, 宋传京, 冮海银, 舒建成, 王蓉, 陈梦君.飞灰真空熔融处理过程污染物变化研究[J/OL].能源环境保护: 1-11[2025-03-04].https://doi.org/10.20078/j.eep.20250208.

DONG Qingyuan, ZHOU Songshan, ZHENG Hao, TIAN Yang, SONG Chuanjing, GANG Haiyin, SHU Jiancheng, WANG Rong, CHEN Mengjun. Study on Pollutant Transformation During Fly AshVacuum Melting Treatment[J/OL]. Energy Environmental Protection: 1-11[2025-03-04].https://doi.org/10.20078/j.eep.20250208.

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期刊简介

《能源环境保护》创刊于1987年，双月刊，ISSN 2097-4183/CN 33-1264/X，是由中国煤炭科工集团有限公司主管、中煤科工集团杭州研究院有限公司主办的环境类学术期刊。主编由中国工程院高翔院士担任。主要刊载与能源环境保护有关的基础科学、技术科学及其交叉学科领域的学术论文。已被瑞典开放存取期刊目录（Directory of Open Access Journal，DOAJ）、美国《化学文摘》（Chemical Abstracts, CA）、俄罗斯《文摘杂志》（AJ，VINITI）、美国《乌利希期刊指南》（Ulrichweb）、欧洲学术出版中心（EuroPub）等数据库收录，连续6年入选《煤炭领域高质量科技期刊目录》T2级。在“双碳”目标下，将进一步聚焦学术前沿、荟萃科学发现、追踪最新动态、汇集最佳成果，推进降碳、减污、绿色低碳发展。

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编辑｜邵方嫄

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