锂介导的闪式焦耳加热可促使莫来石发生晶相转变，从而增强飞灰中金属的浸出

《Waste Management》：Li-mediated Flash Joule heating induces the crystal phase transformation of mullite to enhance the leaching of metal in fly ash

　　

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  闪焰焦耳加热——Li₂CO₃可在8秒内将莫来石转化为活性相。
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  Li⁺可作为电荷补偿剂，使Al(VI)还原为Al(IV)
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  将硅酸盐网络中的氧桥转化为非氧桥。
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  可实现Al、Fe和Li超过99%的浸出率。

引言

飞灰作为一种传统的固体废弃物，兼具环境风险与经济价值两大特性（Li等人，2024a）。从环境危害角度而言，大量产生的飞灰若填埋会占用大量土地资源。据统计，全球每年产生的飞灰量可达12,000,000吨（Chen等人，2025），给环境空间带来巨大压力（Chen等人，2026）。此外，飞灰中含有多种重金属和有毒物质（Li等人，2024b），这些物质会污染水资源，损害土壤结构与功能（Zheng等人，2026）。因此，亟需对飞灰进行回收利用（Li和Shimaoka，2024）。从经济价值来看，飞灰中含有丰富的金属成分（Jiang等人，2026），如Al（Mahfoud等人，2024）、Fe（Zhao等人，2024）、Mg（Li等人，2024c）以及Si（Liu等人，2026）。所以，从飞灰中回收金属不仅能带来可观的经济效益，还有助于实现环境保护（Rosita等人，2024）。

目前，超过90%的飞灰被用作生产地质聚合物的辅助材料（Liu和Yang，2026）。由于其火山灰活性，添加飞灰可减少水泥用量，推动建筑行业的低碳发展（Kusum等人，2020）。但这种做法也会导致大量金属资源的浪费（Sun等人，2024）。

因此，近年来有众多研究致力于从飞灰中浸出金属（Valeev等人，2024）。主要方法包括酸浸法以及酸碱联合浸出法（Gao等人，2024）。例如，Valeev等人使用浓度为345克/升的盐酸对飞灰进行3小时浸出，以此回收Al和Li（Valeev等人，2020）。但由于飞灰中莫来石的结构稳定性，直接浸出通常需要强酸或强碱（Xiang和Zhang，2026），以及高温/高压条件（Yin等人，2026）。许多研究采用碱烧法将莫来石转化为水溶性盐，从而降低从飞灰中浸出金属的难度。比如Wu等人将NaOH与飞灰混合进行碱烧，促使莫来石发生相变。在NaOH与飞灰的质量比为1.6:1、500摄氏度下烧制2小时的条件下，可有效从飞灰中回收Al（Wu等人，2022）。Taggart等人研究了Na₂O、NaOH、CaO、Na₂CO₃、CaSO₄以及(NH₄)₂SO₄等多种碱性添加剂对莫来石转化的影响。他们的研究表明，当添加剂与飞灰的质量比为6:1时，在450摄氏度下烧制30分钟可提高飞灰中Al的浸出率（Taggart等人，2018）。Tang等人发现，当CFA与Na₂CO₃的质量比为1:1时，在860摄氏度下加热0.5小时也能促进飞灰中Al的浸出（Tang等人，2019）。Shao等人则采用了Na₂CO₃和CaCO₃混合碱烧法处理飞灰。他们的研究结果表明，当飞灰与Na₂CO₃与CaCO₃的质量比为1:0.45:1.46时，飞灰的转化效果最佳（Shao等人，2025）。

通过对现有飞灰中莫来石转化研究的总结，可以发现当前存在一些不足之处。首先，现有的莫来石转化方法都需要添加大量碱性化学试剂，这不仅会导致大量的化学物质消耗，还会使得处理成本远高于飞灰的现有储量。其次，现有的莫来石转化工艺通常需要在较高温度下进行长时间处理，从而带来较高的能量消耗。因此，迫切需要一种既能使用少量化学试剂，又能降低能量消耗的方法，来改变飞灰中莫来石的稳定结构。

飞灰的矿物学特征决定了金属提取的难易程度。从微观结构来看，飞灰主要由外部玻璃相和内部莫来石相组成。外部玻璃相是在高温熔融后快速冷却形成的，具有较高的活性。而内部莫来石相则是在外部玻璃体包裹下经过缓慢冷却沉淀形成的，由[SiO₄]和[AlO₆]构成的稳定三维网络结构。基于这种形成机制，虽然传统的碱烧法能够提供打破化学键所需的能量，但它属于“热力学平衡过程”，需要长时间维持高温，从而导致巨大的能量消耗。相比之下，新兴的FJH技术能够满足处理需求（Chen等人，2023；Li等人，2023）。FJH技术基于电阻加热原理，可实现瞬间加热（Wu等人，2025）和快速冷却（Tan等人，2025）。其毫秒级的加热速度能让莫来石立刻克服晶格能障碍，导致结构崩解。断电后的超快淬火则能抑制有序晶格的重新生成，将稳定的莫来石锁定在无定形或亚稳态。此外，莫来石向无定形相转化时通常需要金属阳离子作为电荷补偿剂，以维持网络结构的稳定性。由于Li⁺的离子半径最小且电荷密度最高，它能最有效地嵌入到崩解后的铝硅酸盐网络中。尽管目前已有关于FJH法处理飞灰的研究，例如Sun等人将飞灰与石墨混合后用FJH处理，1秒内就能将其温度提升至2600摄氏度（Sun等人，2025）；Deng等人则利用FJH在1秒内将温度升至约3000摄氏度，使飞灰中的重金属有70–90%被蒸发掉（Deng等人，2023），但这类研究主要用于去除飞灰中的重金属，尚未有研究利用FJH来研究飞灰的晶相转变。

基于此，本研究提出了一种名为Li-FJH的创新策略，能够在较低试剂用量下实现莫来石的定向分解。首先，通过研究Li₂CO₃的用量比例、FJH的温度、处理时间、浸出剂的浓度以及浸出时间，确定了该方法的最佳条件。同时，借助Aframi浸出模型对FJH处理后的产物进行了浸出动力学分析，以此揭示其浸出机制。其次，通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜-能谱仪（SEM-EDS）、拉曼光谱（RS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）以及魔角旋转核磁共振（MAS NMR）等技术，系统分析了FJH产物中Al和Si的相组成、微观结构、化学键合结构以及配位状态，进而阐明了莫来石转化的机制。最后，通过电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）检测了浸出液中的Al、Fe和Li浓度，以此评估有用组分的回收率。此外，本研究还将所提方法与传统飞灰处理技术的经济效益进行了比较，证明了其在能耗、处理时间以及成本方面的优势。这项工作为高效回收飞灰中的有用组分开辟了一条低能耗、环保的新途径，展现出良好的应用前景。

章节要点

实验材料与流程图

本研究中所使用的飞灰来自大连庄河发电厂。Li₂CO₃和柠檬酸由天津华生化学试剂有限公司提供，均为分析级产品。实验流程图如图S1所示。

由于FJH装置的容量限制，每次最多只能处理0.5克样品，因此对于每一组实验条件，我们都需要进行三次独立的平行实验，才能获得后续浸出试验所需的1.5克样品量。具体来说，

飞灰与Li₂CO₃的基本分析

本研究中所使用的飞灰与Li₂CO₃的基本相组成及形态特征分析结果如图1所示。如图1(a)所示，飞灰呈现为灰黄色粉末状物质。根据图1(b)中特征衍射峰的位置，可判断飞灰的主要相成分为莫来石、Al₂O₃和SiO₂。飞灰的微观结构由大小分布较广的玻璃质球形颗粒组成，这些颗粒的表面

结论

本研究创新性地提出了Li-FJH技术，可将飞灰中的莫来石转化为高活性的LiAlSiO₄以及无定形玻璃相，从而促进飞灰中有用组分的浸出。具体结论如下：

• (1)
  (1). 在FJH温度为1800摄氏度、处理时间为8秒，且Li₂CO₃的用量仅为飞灰质量的1/4的条件下，可完全实现莫来石的晶相转化。随后使用浓度为0.75M的柠檬酸对FJH处理后的产物进行浸出

CRediT作者贡献说明

蒋思琪：撰写——初稿撰写、可视化分析、研究指导、方法设计、数据整理。 李爱民：撰写——审阅与编辑、结果验证、资源协调、方法设计、资金获取。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

作者感谢辽宁省振兴人才计划提供的资金支持[项目编号：XLYC2008012]。

蒋思琪|李爱民