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为解决飞灰玻璃化中铅（Pb）高温挥发致二次污染问题，研究人员借助 DFT 计算等，探究 Pb 物种在矿物演化产物表面的吸附及氯化反应。发现 Pb?在 CAS 表面吸附能最强，温度等影响显著，为飞灰处理提供科学依据。
随着城市化进程加快，城市生活垃圾（MSW）产量激增，2022 年我国垃圾焚烧处理量达 1.95 亿吨，占无害化处理总量的 79.8%。然而，每吨垃圾焚烧会产生 30-50 公斤飞灰，其中含有重金属、二噁英等有毒物质，被列为危险废物。飞灰处理面临诸多挑战，传统处理技术如分离浸出易造成水污染，化学固化存在长期稳定性问题，而高温熔融虽能降解二噁英、固化重金属，但铅（Pb）作为典型半挥发性重金属，易在高温下挥发，引发环境污染，且现有技术能耗较高。此外，飞灰中高氯含量会加速重金属氯化物挥发，而矿物演化对铅固定和氯化行为的作用机制尚不明确。在此背景下，东南大学的研究人员开展了相关研究，其成果发表在《Applied Surface Science》，为飞灰无害化处理和重金属污染控制提供了新方向。
研究人员主要采用密度泛函理论（DFT）计算，结合过渡态理论和热力学分析，构建了 Ca-Al-Si 矿物高温演化模型，探究铅在不同矿物表面的吸附特性和氯化行为，涉及吸附能、电子密度差（EDD）、分态密度（PDOS）等参数分析。
矿物演化过程与铅吸附特性
研究表明，当飞灰理论组成为 35% CaO、45% SiO?和 20% Al?O?时，主要矿物为钙铝黄长石（Ca?Al?Si?O??，C?AS?）和钙长石（CaAl?Si?O?，CAS?）。随着温度升高，C?AS?转变为硅铝酸钙（CaAl?SiO?，CAS）。元素铅（Pb?）在 CAS 表面的吸附能最强，达 - 852.81 kJ/mol，表明 CAS 对 Pb?有较强固定能力。铅原子通过离子键与表面活性氧原子结合，而解离的氯原子与氧原子形成更多共价键。
氯化钠覆盖与氯化反应影响
氯化钠（NaCl）覆盖度增加显著限制了 Pb?在 CAS 表面的固定。氯气（Cl?）的氯化能力强于氯化氢（HCl），但在以 HCl 为主的反应中，氯化铅（PbCl?）更易解吸。热力学分析显示，吉布斯自由能（ΔG）值与温度呈正相关，温度升高会降低 CAS 对铅的保留能力。高温虽限制氯化反应发生，但会加快反应速率。
研究通过理论计算揭示了飞灰玻璃化过程中矿物演化对铅固定和氯化行为的影响机制。结果表明，CAS 矿物在铅固定中起关键作用，温度、氯物种等因素显著影响铅的迁移转化。该研究为优化飞灰玻璃化工艺参数、筛选高效固定铅的矿物组成提供了理论依据，有助于降低铅挥发带来的环境风险，推动飞灰资源化利用，对落实 “两山理论” 和 “无废城市” 建设具有重要意义。研究成果为解决飞灰处理中的重金属污染问题提供了新的科学思路和技术支撑。
