城市固废焚烧飞灰基碱激发材料的可持续开发：凝胶体系调控与重金属固化机制研究

针对城市固废焚烧飞灰(MSWIFA)处置难题，研究人员创新性开发了以40% MSWIFA为主体的碱激发材料(FA-AAMs)，通过工业副产物替代传统碱激活剂，构建了以C-(A)-S-H和C-(N)-A-S-H凝胶为主的混合体系，材料抗压强度达27.6 MPa，并揭示凝胶有序度通过Al2O3/SiO2比例调控强度的机制，为低能耗固废资源化提供新策略。

　　

随着全球城市化进程加速，每年超过20亿吨的城市固体废弃物(MSW)处理成为重大挑战。焚烧虽能减量并回收能源，但其副产品——城市固废焚烧飞灰(MSWIFA)因富含重金属和高盐分被列为危险废物。中国2023年MSWIFA产量已超1000万吨，传统填埋处置不仅占用土地，更违背循环经济理念。现有水泥窑协同处置和热解法虽能资源化利用，却面临高能耗、高碳排放的瓶颈。在此背景下，华南地区科研团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表研究，开创性地利用40% MSWIFA与粉煤灰、硅灰等工业副产物，开发出无需外加碱激活剂的可持续碱激发材料(FA-AAMs)。

研究采用X射线衍射(XRD)和核磁共振(NMR)分析凝胶结构，通过植物生态毒性实验评估长期安全性，结合浸出测试和力学性能检测，系统考察材料环境行为。样本来自中国南方垃圾焚烧厂MSWIFA，与河南禹州电厂粉煤灰等工业副产物配伍。

凝胶体系有序度调控强度机制
通过调整前驱体中Al₂O₃/SiO₂比例，发现有序凝胶结构可提升抗压强度至27.6 MPa（达MU25承重砖标准），而无序结构导致强度下降。硅灰替代硅酸钠、电石渣替代氢氧化钠的创新配方，使材料成本降低35%，碳排放减少42%。

重金属固化双路径
铅镉主要通过C-(A)-S-H凝胶链状结构的Al^IV位点静电吸附固定，盐分则被水化凝胶整体包封。140天的拟南芥栽培实验证实材料具有长期生态安全性，重金属浸出浓度低于国标限值50%。

环境效益量化对比
相较传统水泥固化法，FA-AAMs的粉煤灰掺量提升2倍，每吨处理成本降低200元。生命周期评估显示，该工艺碳足迹仅为热解法的1/3，为目前MSWIFA资源化最低碳的技术路线。

该研究不仅破解了高掺量MSWIFA材料强度不足的难题，更建立了凝胶结构-性能调控理论模型。通过工业副产物全组分利用，实现了"以废治废"的循环经济模式，为城市固废处理提供了兼具工程适用性和环境友好性的解决方案。特别值得注意的是，研究首次采用植物生态毒性实验验证长期安全性，弥补了传统浸出测试的局限性。这种低钙体系的凝胶结构优化策略，对开发新型地质聚合物材料也具有重要借鉴意义。