突破钙基范式：钠介导的热化学协同实现低温熔融与金属高效固化

《Waste Management》：Breaking the calcium paradigm: Sodium-mediated thermochemical synergy for low-temperature melting and enhanced metal solidification

本文提出了一种创新的钠基助熔策略，通过热力学模拟与多尺度实验验证，系统阐述了Na2O在降低危险废物焚烧底渣和飞灰（BSFA）共熔温度（可降低100°C）和提升重金属（如Pb）固化效率（提高9%）方面的双重优势。研究打破了传统钙基助熔剂的局限，为开发低能耗、高效固化的新型助熔剂提供了理论框架和技术路径，对危险废物的无害化与资源化处理具有重要指导意义。

　　

Highlight

本研究的亮点在于通过热力学驱动的方法，整合了埃林厄姆图（Ellingham diagram）和相平衡图（phase equilibria diagrams），协同筛选出氧化钠（Na₂O）作为最优助熔剂。这不仅从热力学上证实了重金属氯化物向氧化物转化的自发性，还揭示了随着Na₂O含量从3%增加到8%，其共晶温度降低了40°C。一个新颖的热力学活性模型进一步揭示了Na₂O在通过推动固化反应正向进行来固化重金属，以及通过形成低熔点硅酸盐来降低熔点的双重作用。

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Materials and devices

分析纯试剂碳酸钠（Na₂CO₃）、硫酸钠（Na₂SO₄）、氧化钙（CaO）和二氧化硅（SiO₂）购自国药集团化学试剂有限公司。箱式炉（KSL-1700X-A4, Kejing, China）被用作实验室规模的熔融反应器。将BSFA和助熔剂混合后放入刚玉坩埚中，然后置于箱式炉中心。样品以10°C/分钟的速率从室温加热至1000°C，随后以较慢的5°C/分钟速率加热直至达到目标温度。

Composition analysis and co-melting of BSFA

为增强BSFA理化表征的可靠性，从位于中国东部和中部五个地区的五个危险废物焚烧设施在不同时间间隔共收集了25批样品。焚烧厂处理的危险废物来源多样，包括蒸馏残渣、污泥、树脂粉尘和其他工业副产品。样品的元素组成随原料不同而变化。

Conclusions

本研究通过热力学模拟和多尺度实验证明了在BSFA熔融中使用钠基助熔剂的可行性。CaO-SiO₂-Al₂O₃-Na₂O四元相图和Ca-Si-Al-Na-Pb五元模型表明，Na₂O有利于降低熔融过程中的反应温度并提高重金属的固化效率。添加10%的Na₂CO₃使BSFA的熔点降低了100°C，并提高了Pb的固化效率。