基于闪速焦耳加热的生活垃圾焚烧飞灰中重金属超快电热稳定化

《Journal of Hazardous Materials》：Ultrafast electrothermal stabilization of heavy metals in municipal solid waste incineration fly ash by flash Joule heating

　　

摘要

随着生活垃圾焚烧（MSWI）的广泛采用，其有害副产品飞灰的无害化处理已成为一个紧迫的环境挑战。传统的稳定化技术虽然有效，但受限于高能耗和漫长的处理时间。在此，我们开发了一种基于闪式焦耳加热（FJH）诱导烧结和熔融的 MSWI 飞灰中重金属超快电热稳定化技术。无需水洗预处理，仅在 1250°C 下处理 10 秒的 FJH 处理，即将 Cd、Pb、Cr、Zn 和 Cu 的浸出液浓度降低至中国国家标准 GB 16889-2024 规定的严格限值以下，稳定化率超过 99.9%。FJH 处理温度是控制重金属稳定化的主导因素。电热稳定化是通过快速烧结、矿物重建和少量重金属的选择性挥发综合作用实现的。FJH 策略在成分和重金属含量各异的飞灰中表现出广泛的适用性，初步的规模化测试显示单位能耗降低了 70% 以上。这项工作确立了 FJH 作为一种快速、节能的飞灰处理策略，为电气化和可持续的危险废物管理提供了一条有前景的途径。

概要

通过闪式焦耳加热对生活垃圾焚烧飞灰进行超快电热处理，减少了重金属浸出，支持环境系统中危险废物的安全管理。

引言

生活垃圾（MSW）的环境无害化处理对于实现无污地球目标变得越来越紧迫 [40], [57]。在目前的废物管理技术中，由于具有高减量化效率以及能源回收潜力，焚烧在全球范围内引起了广泛关注 [41], [47]。然而，焚烧也会产生一些副产品，构成潜在的健康和环境风险，尤其是生活垃圾焚烧（MSWI）飞灰（FA），其约占焚烧 MSW 总质量的 3-5 wt% [60]。根据《国家危险废物名录》，FA 已被归类为危险废物 [14], [21]。FA 带来的环境风险主要与氯 [50]、二 [24] 和重金属 [30] 等有害成分的存在有关。

目前，飞灰处理主要采用三种方法，包括热处理 [13], [50]、化学和物理稳定化 [16], [30] 以及分离提取 [26], [46]。其中，分离提取通常被视为预处理方法 [46]，因为它们不能有效去除二噁和重金属。稳定化可以降低重金属的溶解度和毒性，但其长期稳定性仍是一个悬而未决的问题 [12], [43]。热处理方法，包括烧结和熔融 [23]，可以有效地降解二噁英并固定重金属 [39], [53]。烧结通常在 900 到 1200 °C 下操作，而熔融需要 1400 °C 以上的温度 [32], [54]。虽然有效，但这两种方法都与高能耗和运营成本相关，给大规模实施带来了主要挑战 [24]。此外，传统热处理方法之前通常需要预洗涤 [22], [34]，加重了废水处理负担。因此，迫切需要开发一种经济、无水且高效的替代方案，用于飞灰中重金属的稳定化。

最近，闪式焦耳加热（FJH）作为一种革命性的电热技术出现，它利用脉冲电流放电直接将材料快速加热到所需温度 [6]。FJH 依赖于直接电阻加热，可以在毫秒到秒的时间内达到 1000°C 以上的温度 [31]。我们此前证明了 FJH 在废物管理和升级回收中的广泛适用性，包括将塑料和复合材料等含碳废物转化为高值碳材料 [31], [5]，从电子废物中回收关键金属 [10], [7]，以及提高从煤粉飞灰中提取稀土元素的效率 [9]。这些研究证实了 FJH 由于其直接加热特性而具有的能量效率和超快处理能力。值得注意的是，传统飞灰热处理的高能耗不仅源于高操作温度，还源于漫长的加热持续时间 [48]。FJH 将加热时间大幅缩短至秒级，从而可能降低总体能源需求。这些优势共同促使人们探索 FJH 用于飞灰中重金属的高效稳定化。

在此，我们通过 FJH 开发了一种 MSWI 飞灰的电热稳定化策略，旨在有效固定重金属并降低其浸出性。与通常需要水洗预处理以降低氯化物含量的传统热处理不同，FJH 由于其超快加热特性，可以直接处理原始飞灰，从而避免产生二次废水。基于对飞灰物理化学特性的系统分析，我们研究了关键 FJH 参数，包括温度和加热持续时间，对重金属稳定化效果的影响。最佳结果表明，在 1250°C 下烧结 10 秒的 FJH 对所有研究的重金属均实现了>99.9% 的高稳定化效率。质量平衡分析和机理研究进一步阐明了不同重金属物种在 FJH 处理过程中的迁移和转化行为。此外，这种电热固化方法在具有不同成分和重金属含量的多种飞灰类型中得到了广泛适用性的确认。

章节片段

材料

不同地区的飞灰主要成分通常相似。然而，由于 MSW 成分和焚烧设施的区域差异，特定元素含量存在一定的变化。本研究使用的原始飞灰样本来自中国的三个不同地区：河北省（RFA）、山东省（RFA2）和贵州省（RFA3）。RFA 作为整个研究的主要研究对象，而 RFA2 和 RFA3 用于验证

原始飞灰表征

对 RFA 的元素组成、晶体结构和形貌进行了表征。XRD 分析显示，RFA 由多种晶相组成（图 1a），主要由含钙矿物（如 CaSO₄、CaCO₃）和氯化盐（如 NaCl、KCl）主导。这与 XRF 结果（图 1b）一致，显示 Ca（56.2 wt%）、Cl（11.9 wt%）、S（7.3 wt%）和 K（6.1 wt%）是主要元素成分。高 Ca 含量主要来源于添加的

CRediT 作者贡献声明

邓冰：写作 - 审阅与编辑，资源。岳东北：资源，资金获取。徐明月：调查。王腾：概念化。任振宇：调查。冯尔康：方法论，形式分析。刘彦军：方法论，概念化。张立文：写作 - 审阅与编辑。卢文景：方法论，形式分析。刘英超：写作 - 原稿，方法论。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的可能影响本报告工作的竞争财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了京津冀区域生态环境保护 - 国家重点科技重大专项（2025ZD1203100）的资金支持。

利益冲突声明

清华大学已提交一项专利申请，其中刘英超、卢文景、刘彦军和邓冰被列为共同发明人。该申请尚未获得许可。其他作者声明他们没有任何竞争兴趣。

重要性声明

闪式焦耳加热通过超快电热处理迅速对飞灰解毒，减少

刘英超 | 卢文景 | 张立文 | 刘彦军 | 冯尔康 | 任振宇 | 王腾 | 徐明月 | 岳东北 | 邓冰

中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院，北京 100083，中国