中国矿业大学/徐州工程学院J. Environ. Chem. Eng.：毫秒级焦耳热让垃圾焚烧飞灰脱毒并变废为材

1. 背景城市生活垃圾焚烧能够显著减量并回收能量但随之产生的飞灰MSWI-FA富集 Pb、Zn、Cd、Cu、Ni、Cr 等重金属以及可溶盐和有机污染物通常被列为危险废物。传统水泥固化会带来体积膨胀和长期稳定性问题化学稳定化难以兼顾多金属体系热处理能效负担高且存在挥发金属排放风险湿法回收又容易产生二次废水。因此飞灰处置正在从“单一固化填埋”转向“快速脱毒、结构改性和资源回收”一体化路线闪蒸焦耳加热FJH因毫秒级升温、快速淬冷、无溶剂和可诱导碳材料重构而成为值得关注的新技术。2. 论文概要本文中中国矿业大学桂夏辉、徐州工程学院程好强团队首次系统研究了 FJH 对城市生活垃圾焚烧飞灰中重金属脱毒的作用机制。作者将飞灰与导电炭黑按 4:1 质量比混合通过电容放电使样品在 1000-1900 °C 范围内经历超快高温脉冲并考察微观形貌、孔结构、矿物相、碳结构及 Pb、Zn、Cd、Cu、Ni、Cr 的去除与稳定化行为。结果表明1600 °C 处理可使材料形成最发达的三维多孔网络比表面积升至 64.94 m2 g-1、孔体积升至 0.263 cm3 g-1为挥发性金属迁移提供通道Zn、Cd、Pb 的最高去除率分别达到 82.3%、79.6% 和 64.1%同时导电炭黑被重构为具有价值的闪蒸石墨烯形成“脱毒-改性-资源化”耦合路径。3. 图文解读图1MSWI-FA 粒径分布图1给出了原始飞灰的粒径基础信息颗粒分布约为 0.2-72 μmD50 为 3.13 μm峰值粒径为 2.11 μmD90 为 12.48 μm。该粒度特征说明样品以细颗粒为主具有较大的反应界面也意味着在 FJH 过程中热冲击、气体释放和重金属挥发会强烈依赖颗粒团聚状态与孔道演化。图2FJH 装置与瞬态电热过程图2展示了 FJH 反应装置和 CFA-1600 的实时电热曲线。第一阶段约 60 V 低压放电主要用于降低样品接触电阻几乎不产生明显电流和升温第二阶段升至约 150 V 后触发约 250 A 瞬时电流样品快速达到约 1600 °C。该“高升温速率-短停留时间”的热历史是选择性挥发重金属和诱导碳基质重构的关键。图3FJH 前后飞灰形貌演化图3直观显示飞灰从致密团聚体向多孔网络的转变原始 MSWI-FA 和 CFA 结构紧密、孔隙有限1000 °C 后出现微裂纹1300 °C 后形成团簇和开放通道1600 °C 样品呈现海绵状或珊瑚状三维互连多孔网络最有利于挥发组分逸出1900 °C 则出现烧结和孔塌陷说明过高温度会削弱孔结构优势。图4SEM-EDS 元素组成变化图4通过 EDS 半定量展示主量元素与重金属的变化趋势。样品主要由 C、O、Cl、Ca、Na 等构成Pb、Zn、Cd、Cu、Ni、Cr 为痕量重金属随着 FJH 温度升高多数重金属含量下降例如 Zn 从 CFA 中的 1.17 wt% 降至 CFA-1600 的 0.16 wt%。这说明 FJH 诱导的裂解、挥发和通道形成共同促进重金属迁移脱除。图5氮气吸附-脱附等温线图5表明所有样品均呈 Type IV 等温线和 H3 型滞后环指向由颗粒堆积形成的狭缝状介孔结构。CFA-1600 的滞后环面积最大说明介孔体积和孔连通性最强CFA-1900 滞后环收缩则对应高温烧结造成的孔并合和结构致密化。该图与 SEM 共同证明 1600 °C 是孔结构发育的最佳窗口。图6微孔与介孔孔径分布图6进一步拆解孔径贡献CFA-1600 拥有最高密度的微孔峰值约 0.5 nm同时在 3-4 nm 介孔区有明显峰值说明 FJH 同时创造了有利于气体逸出和金属迁移的多尺度通道。CFA-1900 的微孔和介孔信号均明显下降印证过度热输入会导致孔闭合降低结构改性效果。图7FJH 前后矿物相变化图7显示原始体系属于典型 CaO-SiO2-NaCl-KCl 体系含 CaCO3、NaCl、KCl、Ca2SiO4 和 CaSiO3 等相。FJH 后 NaCl/KCl 峰逐步减弱、CaCO3 峰消失说明盐类挥发和碳酸盐分解发生同时约 26.04° 和 42.06° 出现闪蒸石墨烯特征峰表明导电炭黑被快速重构为更有序碳结构。图8Pb 4f 与 Zn 2p 高分辨 XPS图8揭示 Pb 和 Zn 的化学态变化。原始 CFA 中 Pb 4f 与 Zn 2p 信号分别对应 Pb2 和 Zn2 物种FJH 后峰位发生轻微移动说明其与氧化物、硅酸盐或碳基质环境发生相互作用但未出现明显 Pb0 或 Zn0 金属态峰表明重金属并非完全还原为金属而是以挥发、迁移或与基质结合的方式发生转化。图9C 1s 高分辨 XPS 与碳结构重构图9证明 FJH 不只是脱毒过程也是碳材料重构过程。C-C/C-H 主峰半峰宽从 CFA 的 1.31 eV 降至 CFA-1900 的 0.96 eV说明碳环境更均一、缺陷减少π-π* 卫星峰面积从 13.22% 增至 19.29%表明 sp2 碳网络增强导电炭黑逐渐转化为更石墨化的闪蒸石墨烯为资源化利用提供材料基础。图10FJH 前后重金属去除效果图10给出重金属去除的定量结果原始飞灰中 Zn 和 Pb 含量最高分别为 4663.52 和 2412.30 mg kg-1FJH 后所有重金属含量均下降其中 Zn 在 1300 °C 达到 82.3% 最高去除率Cd 在 1900 °C 达到 79.6%Pb 在 1600 °C 达到 64.1%。Cu、Ni、Cr 因挥发性较低或易进入矿物晶格更多表现为有限去除与基质稳定化并存作者也指出尚未对挥发重金属冷凝物建立完整质量平衡这是后续放大必须解决的问题。4. 总结展望这项研究的价值在于把 FJH 引入 MSWI-FA 脱毒场景并将重金属挥发去除、矿物基质稳定化、孔结构改性和闪蒸石墨烯生成放在同一个过程内讨论。与水泥固化相比FJH 避免 30-50% 体积膨胀并可实现约 10% 体积减少与传统热烧结相比其处理时间由小时级压缩到毫秒至分钟级并具备金属回收潜力。不过该技术从实验室走向工程仍需补齐挥发金属捕集与质量平衡、连续化进料、电极寿命、能耗优化以及二噁英/氯盐协同控制等关键环节。总体来看FJH 为飞灰从危险废物向可资源化材料转化提供了新的高温快速处理范式。论文信息Zili Yang, Qiongyu Yang, Yanzhen Fu, Yangchao Xia, Yuhao Chang, Shiqi Dai, Haoqiang Cheng, Xiahui Gui,Flash Joule heating as a novel thermal treatment for heavy metal detoxification from municipal solid waste incineration fly ash,Journal of Environmental Chemical Engineering,Volume 14, Issue 5,2026,123585,ISSN 2213-3437,https://doi.org/10.1016/j.jece.2026.123585.