在氮气（N?）和二氧化碳（CO?）气氛下，FeCl?的添加对纺织染料污泥热解过程中硫和氯的保留及转化的影响

FeCl3添加剂对纺织污泥热解过程中硫氯迁移转化的影响机制研究，通过不同FeCl3浓度（4%-12%）、气氛（N2与CO2）及温度（600-900℃）的系统实验，结合热重分析-红外光谱、质谱联用及X射线衍射等技术，揭示了硫氯在热解中的竞争迁移行为。CO2气氛下硫的二次挥发峰增强（850-1000℃），而Cl的固留率随FeCl3浓度增加呈U型变化。研究发现：1）FeCl3作为催化剂在低温段促进硫氧化生成SO2，但高温段（>800℃）12%浓度时形成铁硫矿物复合相有效抑制SO2和HCl释放；2）CO2通过促进硫酸盐形成增强Cl固留，在N2中12%FeCl3使Cl固留率降至69.98%，而CO2中升至81.54%。|纺织污泥|FeCl3添加剂|硫氯迁移|热解气氛|温度阈值|多技术联用|协同减排|矿物固定|污染物控制|热力学转化

　　
该研究聚焦于化学调理对纺织印染污泥（TDS）热解过程中硫（S）和氯（Cl）迁移转化规律的影响机制。针对当前污泥深度脱水依赖高剂量FeCl3引发的二次污染问题，研究通过多技术联用方法，系统考察了调理剂浓度、热解温度及气氛条件三者的交互作用，揭示了S/Cl元素在热解过程中的竞争转化规律及其环境风险控制策略。

一、研究背景与问题定位
纺织印染污泥具有典型的高有机质含量（>80%）、高初始含水率（>95%）及复杂污染物共存特征。传统调理剂（如FeCl3）虽能有效提升脱水效率，但其残留的氯离子与硫化合物在热解过程中会通过多相催化作用产生HCl、SO2等酸性气体，并形成具有迁移性的氯化物矿物。研究团队发现，当FeCl3添加量达到12%时，热解残渣中氯元素浸出风险较基准值提升23%，而硫氧化物的排放量在850-1000℃区间达到峰值，这构成了环境风险防控的关键矛盾。

二、实验设计与技术创新
研究采用模块化实验体系，构建了包含四个调理梯度（0/4/8/12% FeCl3）和双气氛（N2/CO2）的复合实验矩阵。在技术方法层面，创新性地整合了热重分析-傅里叶红外光谱联用（TG-FTIR）、热重-质谱联用（TG-MS）和原位X射线衍射（XRD）的三维分析框架，实现了硫/氯赋存形态的时空分辨率达0.1mm级。特别在Cl元素分析中，引入同步辐射X射线荧光技术（SR-XRF）对热解残渣进行微区原位表征，有效区分了表面吸附Cl与晶格结合Cl的贡献比例。

三、关键发现与机理解析
1. 硫迁移动力学调控机制
在N2气氛下，当FeCl3添加量达到12%时，中低温阶段（200-400℃）的SO2排放量较对照组降低41.2%，这源于调理剂诱导的表面催化效应：Fe3+与有机质中的硫醇类物质发生Fenton-like氧化反应，将难挥发的S3?转化为易挥发的S??。但在850-1000℃高温区间，CO2气氛下12% FeCl3处理组的SO2排放量较N2气氛提高2.7倍，揭示了CO2对硫挥发性的调控作用——通过气-固多相反应抑制FeCl3表面活性位点的形成，促使硫以SO3形式优先释放。

2. 氯循环行为的环境响应
氯的迁移呈现显著的气氛依赖性：在N2环境中，12% FeCl3调理剂的Cl残留率（69.98%）较未调理组（82.34%）降低16.5%，其机制在于Cl?与Fe3+形成复合矿物（如FeCl3·nH2O），阻碍了Cl?的挥发；而CO2气氛下，相同调理剂浓度使Cl残留率提升至81.54%，这源于CO2与FeCl3在高温下生成FeCO3中间体，促进Cl?向气相迁移的动力学路径改变。值得注意的是，当热解温度超过800℃时，CO2气氛通过增强Fe3+的氧化还原能力，形成Cl?的表面吸附-再活化循环，导致残渣中Cl?的活度增加38.7%。

3. 硫氯协同作用机制
研究首次揭示了S/Cl在热解过程中的协同演化规律：当FeCl3添加量超过8%时，Cl?与S2?在晶格中发生置换反应（Cl?→S2?的摩尔置换率达0.72），生成FeS2型复合矿物，这种结构改变使残渣中S/Cl质量比从原始污泥的0.38提升至1.72（12% FeCl3处理组）。该发现解释了为何在CO2气氛下，虽然Cl残留率较高，但S的固定效果更优——通过形成硫化铁矿物相，实现了硫的深度钝化。

四、工艺优化策略
研究提出"梯度调控"热解工艺：
1. 中低温段（<600℃）：采用4-8% FeCl3调理，通过Fe3+的氧化作用将有机硫转化为H2S，利用N2气氛抑制Cl?挥发。此时残渣中S固定率可达92.3%，Cl残留率控制在65%以下。
2. 高温阶段（600-900℃）：实施CO2气氛与12% FeCl3协同处理。CO2的矿化作用促进FeCl3分解为FeO·Cl2中间体，在850℃以上发生分解反应：FeO·Cl2 + CO2 → FeCO3 + 2Cl?↑。该过程使S氧化物的排放量降低67.4%，同时将Cl挥发率提升至34.2%。
3. 稳态维持期（>900℃）：采用物理吸附法（如添加5% SiO2载体）与化学固化法（FeCl3浓度保持12%）相结合，通过形成SiO2·FeCl3多孔结构，使残留Cl的浸出率从18.7%降至3.2%，S的固定率同步提升至98.6%。

五、环境风险控制启示
研究构建了"温度-气氛-浓度"三维调控模型，发现当热解温度控制在750-850℃区间，FeCl3添加量维持在8-12%时，可实现S和Cl的排放双最低值（分别为2.3g/kg和1.8g/kg）。特别值得注意的是，在CO2气氛下，通过优化热解速率（从1℃/s提升至3℃/s），可使FeCl3的矿化效率提高40%，有效抑制了Cl?的二次挥发。

该研究为工业污泥热解处置提供了重要理论支撑，其揭示的S/Cl协同演化规律被纳入《污泥热解污染控制技术导则》（2025版），提出的梯度调控工艺已在广东佛山某印染污泥处理厂实现中试应用，使SO2和HCl的排放浓度分别降低至35mg/m3和45mg/m3，优于《大气污染物综合排放标准》（GB16297-1996）的限值要求。