钙溶蚀诱发水泥固化垃圾焚烧飞灰孔隙率增加的机制及其对重金属浸出行为的影响

《Process Safety and Environmental Protection》：Calcium dissolution-induced porosity increase in cement-solidified MSWIFA: Implications for heavy metal leaching behavior

针对水泥固化垃圾焚烧飞灰(MSWIFA)中钙溶蚀导致孔隙率增加、进而加剧重金属浸出风险的问题，研究人员构建了耦合钙溶蚀动力学的铜(Cu)和铅(Pb)浸出模型。通过理论-数值模拟与实验验证，揭示钙溶蚀使孔隙率提升0.115(2/3配比)和0.078(3/2配比)，虽短期浸出增量＜5%，但长期累积效应显著。该研究为MSWIFA安全处置提供了量化预测工具。

　　

随着城市化进程加速，垃圾焚烧飞灰(MSWIFA)的处理成为环境治理难题。这种富含铅(Pb)、铜(Cu)等重金属的废弃物，若处置不当将造成持久性污染。尽管水泥固化/稳定化(S/S)技术能通过物理包裹和化学固定降低重金属活性，但水泥基材料中的钙组分(如氢氧化钙CH和硅酸钙水合物C-S-H)在长期接触水体时会发生溶蚀，导致孔隙结构改变——这个被长期忽视的过程，可能成为重金属"破笼而出"的关键漏洞。

深圳大学的研究团队在《Process Safety and Environmental Protection》发表的研究，首次建立了融合钙溶蚀动力学的重金属浸出预测模型。通过配制2/3和3/2两种水泥-MSWHFA质量比的固化体，结合COMSOL多物理场模拟与浸出实验，揭示了钙溶蚀-孔隙率-重金属迁移的连锁反应机制。

关键技术包括：1) 基于深圳南山垃圾焚烧厂的MSWIFA样本，建立三维扩散模型；2) 引入钙质量平衡方程量化CH和C-S-H溶解对孔隙率的影响；3) 通过Fick第二定律耦合重金属扩散系数与动态孔隙率；4) 采用GB/T 7023-2011标准进行浸出实验验证。

【孔隙率增加】模拟显示2/3配比固化体孔隙率增幅达0.115，显著高于3/2配比的0.078。这源于前者水泥用量少，可溶钙含量低，单位钙溶蚀对孔隙结构的破坏更显著。

【重金属浸出增强】钙溶蚀使Pb²⁺和Cu²⁺扩散效率提升，但短期浸出量增幅控制在5%以内。值得注意的是，Pb因主要依赖扩散机制，其累积浸出量在718天后可能超过GB 16889限值。

【协同固定机制】研究验证了Pb₅(PO₄)₃Cl等稳定化合物的形成可有效阻滞铅浸出，为优化配方提供方向。

该研究突破性地将钙溶蚀动力学纳入环境风险评估框架，揭示出看似微小的孔隙率变化可能通过"时间杠杆效应"引发重大环境风险。提出的模型能预测不同水泥配比、pH环境下的长期浸出行为，为垃圾焚烧飞灰"从实验室到填埋场"的全生命周期管理提供决策工具。特别是对Pb这种优先控制污染物，研究警示即使当前达标的设计方案，仍需考虑钙组分持续流失带来的长期不确定性。这些发现对修订固化体评价标准、开发抗溶蚀添加剂具有重要指导价值。