机械压力预处理协同飞灰稳定化对垃圾焚烧飞灰重金属浸出的调控机制及低温烧结优化研究

针对垃圾焚烧飞灰(MSWI fly ash)传统烧结工艺能耗高、重金属(如Cd/Pb/Zn)易挥发等问题，武汉团队创新性提出高炉矿渣(BFS)与废玻璃协同机械压力预处理(20 MPa)的低温烧结方案。研究发现800°C烧结时压力预处理使Cd/Cu/Pb/Zn浸出浓度分别降低25.1%/22%/5.3%/16.2%，通过XRD证实压力促进硅酸盐(3%↑)和碳酸盐(2.7%↑)晶相形成，为危险废物资源化提供新思路。

　　

随着中国城镇化进程加速，生活垃圾年产量已突破2亿吨，焚烧处理占比超50%，但由此产生的危险废物——垃圾焚烧飞灰(MSWI fly ash)富含Cd、Pb、Zn等重金属和二噁英，被列入《国家危险废物名录》。传统高温烧结(>1000°C)虽能固化重金属，却面临能耗高(电力消耗达500 kWh/吨)、重金属氯化物挥发(如PbCl₂沸点954°C)导致二次污染等瓶颈。更棘手的是，低温烧结(<800°C)时重金属难以形成稳定硅酸盐晶相，浸出浓度超标风险突出。如何实现飞灰"低温高效固化"成为环保领域卡脖子难题。

武汉某研究团队在《Fuel》发表的研究中，创新性将冶金固废高炉矿渣(BFS，含34-42% CaO和28-38% SiO₂)与废玻璃(富硅材料)按特定比例(70:25:5)掺入飞灰，并施加20 MPa机械压力预处理后，在800°C实现重金属协同固化。突破性发现压力预处理可使烧结产物中硅酸盐含量提升3%，Cd浸出浓度降低25.1%，且烧结温度较常规工艺降低200-300°C。

研究采用三大关键技术：1) 多组分X射线荧光光谱(XRF)分析原料元素组成；2) 梯度压力(10-30 MPa)耦合变温烧结(700-900°C)实验；3) FactSage热力学模拟重金属相变规律。通过火焰原子吸收光谱(AAS)检测发现，800°C烧结时压力预处理组(P20MPa)的Pb浸出浓度仅0.092 mg/L，显著低于未加压组(0.126 mg/L)，且所有重金属浸出量均低于GB16889-2024标准阈值。

【3.1 压力预处理的影响】
20 MPa压力使原始飞灰中Zn浸出浓度降低17.4%，但单独压力无法改变重金属形态。通过对比A12(加压)与A02(未加压)样品，证实压力通过缩短颗粒间距，使烧结产物孔隙率降低14.6%。

【3.2 温度调控效应】
700°C时B11组(加压)的Cd浸出量较B01降低23.6%，800°C时所有样品重金属浸出浓度达标。热力学计算显示，超过850°C后ZnCl₂(g)生成量骤增，与实验中900°C组重金属挥发率>90%的现象吻合。

【3.4 机制解析】
XRD精修表明，20 MPa压力使硅酸盐衍射峰强度提高3%，新生成Ca₂Al(AlSiO₇)和Cu₂(OH)₂(CO₃)晶相。第一性原理计算揭示Pb²⁺可替代硅酸盐晶格中Ca²⁺位点，置换率达18%。

该研究开创性地将冶金固废资源化与机械压力预处理结合，突破低温烧结技术瓶颈。不仅使能耗降低40%(相比1000°C工艺)，更通过"物理致密化-化学稳定化"双路径，将Pb/Cd固化率提升至95%以上。研究团队特别指出，30 MPa压力可使硅酸盐含量再提升1.2%，但综合考虑设备损耗，推荐20 MPa为最优参数。该成果为《"十四五"城镇生活垃圾分类和处理设施发展规划》中飞灰资源化目标提供了关键技术支撑，其揭示的"压力促进晶格取代"机制对危险废物处理领域具有普适性指导意义。未来需进一步开展万吨级中试，评估烧结产物在建材领域的应用潜力。