煤基飞灰与玉米秸秆协同热解制备功能性土壤改良剂：重金属固化与养分缓释机制研究

针对燃煤飞灰(FA)资源化利用率不足及农业秸秆污染问题，本研究创新性提出FA与玉米秸秆协同热解策略，通过优化热解参数(500℃/50%生物质比例/4h)制备出兼具重金属固化(Cr/Pb浸出浓度<0.1mg/L)与养分缓释(N/P/K达15/50/20mg/L)功能的生物炭-飞灰复合材料，为工业固废与农业废弃物协同处置提供循环经济解决方案。

　　

燃煤发电产生的飞灰(FA)全球年产量超12亿吨，但利用率不足50%，传统建材应用面临市场饱和困境。与此同时，中国每年产生约10亿吨农作物秸秆，资源化率低于60%。这两类固体废弃物的堆积不仅造成资源浪费，更带来重金属污染(如Cr/Pb)和土壤碱化(pH 10-12)等环境风险。如何实现FA与农业废弃物的协同高值化利用，成为环境与材料科学领域的重大挑战。

昆明某能源研究所的研究团队创新性地将FA与玉米秸秆进行协同热解，通过系统优化温度(200-900℃)、生物质比例(20-70%)和时间(1-5h)等参数，成功开发出兼具环境安全性与农用功能性的土壤改良剂。研究发现500℃热解温度下，50%生物质比例与4h停留时间组合可同时实现重金属有效固化(Cr/Pb固定率>92%)和营养元素缓释(K⁺
/Ca²⁺
释放量提升3-5倍)。相关成果发表于《Industrial Crops and Products》。

关键技术包括：(1)采用HJ 557-2010标准进行浸出毒性分析；(2)Tessier五步连续提取法解析元素赋存形态；(3)X射线荧光光谱(XRF)和X射线衍射(XRD)表征材料组分；(4)扫描电镜(SEM)观察微观形貌；(5)盆栽实验验证植物促生效果。FA原料取自云南昆明电厂，玉米秸秆采自当地农田。

3.1 飞灰特性解析
FA主要成分为SiO₂
(45.52%)和Al₂
O₃
(25.81%)，含Cr(1.1mg/L)和Pb(0.02mg/L)等重金属。Tessier分析显示41%的Cr和39%的Pb以可交换态存在，而植物有效态Ca/K分别达3200mg/L和190mg/L，证实其兼具污染风险与农用潜力。

3.2 热解温度影响
500℃时复合材料表现出最佳性能：Cr/Pb浸出浓度降至<0.1mg/L，同时K释放量达2100mg/L。SEM显示此时形成多孔碳-二氧化硅复合结构，XRD检测到Fe₇
C₃
和Zn(Fe,Al)₂
O₄
等稳定相生成。

3.3 生物质比例优化
50%生物质添加使复合材料比表面积提升至74.68m²
/g，NH₄
⁺
-K⁺
交换容量提高3倍。FTIR显示C=O和-Si-O-官能团增强，促进重金属表面络合。

3.4 时间效应
4h热解后产物氨氮释放量达70mg/L，水溶性有机质含量65mg/L。XRD证实延长热解时间可形成(Fe,Mn)₃
P等稳定矿物相。

4. 盆栽验证
与健康土壤按1:9混合后，小麦发芽率达93%，生物量提升54.6%。机理研究表明：FA中的Ca²⁺
通过阳离子桥接作用促进微团聚体形成，而生物炭孔隙负载的养分可缓慢释放。

该研究开创了"固废协同-热解重构-土壤应用"的新模式，不仅使FA中95%的重金属转化为残渣态，更通过构建SiO₂
@生物炭的核壳结构实现养分控释。相较于传统填埋或建材利用，该技术使FA资源化价值提升3-5倍，为矿区生态修复和荒漠化治理提供了可规模化的解决方案。未来研究可进一步探索复合材料对土壤微生物组的影响及其长期环境行为。