碳化作用对气化渣与飞灰基富碳地质聚合物中重金属稳定化的影响机制及调控策略

针对富碳地质聚合物在重金属(HMs)稳定化过程中易受碳化作用影响的关键问题，本研究通过分析CO2吸附行为与矿物相变，揭示了碳化对Zn/Cr/Cu等重金属迁移的差异化调控机制：阳离子态HMs（如Zn2+）浸出量最高增加2529%，而CrO42-/AsO43-等阴离子则因形成共价键网络使释放率降低。创新性提出K2HPO4添加剂(P/Al=0.1)可抑制CO32-扩散，为碳敏感型固废材料设计提供理论支撑。

　　

随着中国城市化进程加速，生活垃圾焚烧飞灰(MSWIFA)年产量已突破700万吨，这类富含重金属(HMs)的危险废物亟需高效处置技术。地质聚合物(Geopolymer)因其强碱性环境和三维网络结构，被视为固化重金属的理想材料。然而，由气化渣(GS)与飞灰制备的富碳地质聚合物面临特殊挑战——GS中残留的碳纳米颗粒虽能增强重金属吸附，却也使材料更易受大气CO₂侵蚀。更棘手的是，学界对碳化作用究竟会促进还是破坏重金属稳定化长期存在争议：有研究认为碳酸盐能填充孔隙提升结构完整性，另一些证据则显示热膨胀性碳酸盐会破坏硅铝酸盐骨架。

为破解这一科学难题，来自中国的研究团队在《Environmental Pollution》发表重要成果。他们创新性地将MSWIFA按重金属形态分类：采用流化床工艺的飞灰(AAh)富含CrO₄^2-/AsO₄^3-等阴离子，而炉排炉飞灰(CAh)以Zn²⁺/Cu²⁺等阳离子为主。通过CO₂吸附测试结合Langmuir模型，首次量化了材料内外源碳化比例；借助XRD和孔隙分析揭示碳酸盐晶体对微观结构的破坏机制；最后通过磷酸盐掺杂实验开发出抗碳化调控策略。

关键技术方法
研究采用煤化工气化渣(GS)与两种MSWIFA(CAh/AAh)制备富碳地质聚合物(CGO/AGO)，通过温度梯度CO₂吸附实验结合SSL/DSL模型计算理论吸附量，利用ICP-MS检测重金属浸出浓度，采用FTIR和XPS分析CO₃^2-与[AlO₄]四面体的键合方式，并通过添加K₂HPO₄调控P/Al化学计量比。

CO₂吸附
等温吸附实验显示CGO(22.51%)比AGO(13.37%)更易碳化，DSL模型表明高温会抑制CO₂捕获。热重分析证实碳酸盐在300-500℃分解导致4.12%质量损失，同步引发材料体积膨胀。

重金属迁移规律
碳化使CAh体系阳离子浸出暴增：Zn(31.8%)、Cr(1333.3%)、Cu(2529.0%)，因CaCO₃结晶破坏[SiO₄]层状结构。相反，AGO中CrO₄^2-浸出量下降67.8%，因[CrO₄]四面体与[CO₃]形成共价交联网络。

磷酸盐调控机制
当P/Al=0.1时，K₂HPO₄分解产生的PO₄^3-会优先与[AlO₄]结合，形成致密AlPO₄屏障阻断CO₃^2-毛细扩散，使Zn浸出量降低82.4%。

这项研究首次建立碳化程度与重金属形态的定量关系，突破性地发现四价阴离子(AsO₄^3-/CrO₄^2-)可通过拓扑化学反应增强网络稳定性。提出的磷酸盐掺杂策略以0.1mmol/g的极低添加量实现双重防护，为发展"抗碳化"地质聚合物材料提供全新思路。该成果对指导危险废物资源化利用具有重要实践价值，尤其适用于中国这类煤化工固废与城市垃圾协同处置需求迫切的地区。