硅改性生物炭的研发及其对垃圾焚烧飞灰中重金属的高效稳定化作用

针对垃圾焚烧飞灰(MSWI FA)中重金属污染这一全球性环境难题，南京科研团队创新开发了层状硅改性生物炭(Si-BC)稳定剂。研究表明，添加2.0 wt% Si-BC可使Pb、Cd浸出浓度在pH 7.0-13.0范围内满足GB16889-2008标准，其通过氧化还原、表面络合及物理封装等多重机制实现重金属稳定化，性能优于商用稳定剂DDTC和Na2S，为危险废物处理提供了经济高效的解决方案。

　　

随着城市化进程加速，全球每年产生约20.2亿吨城市固体废物(MSW)，其中焚烧处理虽能减容90%并发电，但产生的焚烧飞灰(MSWI FA)含有高浓度重金属氯化物和持久性有机物，被列为危险废物。传统处理方法如水泥固化存在体积膨胀、稳定效果有限等问题，而化学稳定剂在复杂环境中易失效。针对这一挑战，来自南京的研究团队在《Waste Management》发表研究，开发出具有层状结构的硅改性生物炭(Si-BC)，为MSWI FA处理提供了创新解决方案。

研究采用硅酸钠改性锯末生物炭，通过表征分析(BET、XPS、FT-IR等)和浸出实验系统评估稳定效果。关键发现包括：2.0% Si-BC添加量使Pb、Cd浸出浓度分别降至0.18 mg/L和0.12 mg/L，优于GB16889-2008标准；BCR连续提取表明Si-BC将酸可溶态Pb从42.1%降至11.3%；XPS证实Si-BC通过还原作用将Pb²⁺转化为更稳定的Pb⁰；FT-IR显示Si-O和-OH基团与金属离子形成稳定络合物。

【材料与方法】
研究以南京垃圾焚烧厂飞灰为对象，采用五点位采样法获取样品。通过硅酸钠浸渍-热解法(700°C)制备Si-BC，使用ICP-MS测定重金属含量，结合TCLP(毒性特性沥滤程序)和BCR连续提取法评估稳定效果，并采用XPS、FT-IR等手段解析机制。

【HMs含量及浸出特性】
原始飞灰中Zn含量最高(4042.7 mg/kg)，Pb次之(890.35 mg/kg)。Si-BC处理后Pb浸出浓度降低64%，且在pH 7-13范围内保持稳定，突破传统稳定剂的pH敏感性局限。

【结论与意义】
该研究首次证实硅改性生物炭通过三重机制(化学还原、表面络合、物理封装)实现重金属长效稳定，其成本仅为商用稳定剂的1/5。成果不仅为危险废物处理提供新技术，更推动生物炭在环境修复领域的应用边界，对实现"无废城市"目标具有重要实践价值。研究团队特别指出，Si-BC的层状结构可促进飞灰颗粒团聚，这一发现为开发多功能稳定剂提供了新思路。