机械球磨活化城市垃圾焚烧飞灰制备地聚合物充填材料及其重金属固化机理研究

针对城市垃圾焚烧飞灰(MSWI FA)重金属污染治理难题，研究人员通过机械球磨活化技术，以MSWI FA、高炉矿渣和粉煤灰为胶凝材料，煤矸石为骨料制备高性能胶结充填体。研究揭示了C-S-H和C-A-S-H水化产物的微观结构演化机制，证实球磨处理对Pb、Cd、Cr等重金属固化率最高达87.9%，浸出浓度符合GB 18598-2019标准，为矿区低成本生态修复提供新方案。

　　

随着中国城市化进程加速，城市生活垃圾年产量已突破4.28亿吨，焚烧处理虽能减容90%，但产生的焚烧飞灰(MSWI FA)含Pb、Cd等重金属及二噁英，被列入《国家危险废物名录》。传统水泥固化法存在氯盐破坏结构、化学药剂稳定法成本高昂等问题。如何实现MSWI FA资源化利用与重金属安全处置，成为环保领域亟待解决的难题。

中国某高校研究团队在《Process Safety and Environmental Protection》发表研究，创新性采用机械球磨预处理MSWI FA，结合高炉矿渣、粉煤灰等辅助胶凝材料(SCM)，开发出兼具力学性能与环境安全性的地聚合物充填材料。通过XRD、SEM、FTIR等多技术联用，发现球磨后飞灰粒径从100μm降至10μm以下，比表面积提升3倍，形成的钙硅铝水合物(C-A-S-H)三维网络结构对重金属固化效果显著，其中Pb固化率高达87.9%，所有重金属浸出浓度均低于GB 18598-2019限值。

关键技术包括：1) 机械球磨活化处理MSWI FA；2) 以煤矸石为骨料的胶结充填体制备；3) 水玻璃模数调控碱激发反应；4) 重金属浸出毒性测试（参照HJ 1134-2020标准）。

【MSWI FA球磨前后粒径变化】
通过激光粒度分析发现，未经处理的飞灰粒径分布宽泛，经4小时球磨后D₅₀从45.2μm降至8.7μm，比表面积由1.3增至4.1 m²/g，表面粗糙度增加促进后续胶凝反应。

【重金属固化机理】
XRD显示主要水化产物为无定形C-S-H(水化硅酸钙)和C-A-S-H(水化硅铝酸钙)，FTIR证实Si-O-T(T=Si/Al)键合作用增强。重金属通过离子交换、物理包裹和化学键合三重机制被固定，固化效率排序为Pb>Cd>Cr>Cu>Ni>As>Zn，其中Cd、Pb、Cr最大固化率分别为80.97%、87.90%、76.68%。

【环境安全性评估】
28天养护后试样中Pb浸出浓度仅0.12mg/L，远低于标准限值5mg/L；SEM-EDS证实重金属主要富集在C-A-S-H凝胶相中，风险编码(RAC)分析显示所有金属均处于低风险级。

该研究突破传统固化技术瓶颈，首次实现MSWI FA在充填采矿领域的规模化应用。相比水泥固化法，球磨活化地聚合物体系节省30%原料成本，且每吨飞灰处理可减少0.8吨CO₂排放。研究团队指出未来需重点解决二噁英协同降解问题，为"无废城市"建设提供关键技术支撑。