闪焦耳加热作为一种用于从城市固体废物焚烧飞灰中去除重金属的新颖热处理方法

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Flash joule heating as a novel thermal treatment for heavy metal detoxification from municipal solid waste incineration fly ash

　　

Zili Yang|Qiongyu Yang|Yanzhen Fu|Yangchao Xia|Yuhao Chang|Shiqi Dai|Haoqiang Cheng|Xiahui Gui

中国徐州221018，徐州工程学院物理与新能源学院

摘要

城市固体废物焚烧飞灰因含有大量重金属和可溶性盐类，存在严重的环境风险。传统的处理方法如水泥固化与热烧结往往存在体积膨胀、能耗高或处理周期长的问题。本研究首次应用闪速焦耳加热技术对城市固体废物焚烧飞灰进行快速解毒处理。通过向飞灰中加入导电炭黑，并施加1000–1900°C的超快高温脉冲，研究了碳基材料的结构变化以及飞灰中铅、锌、镉、铜、镍、铬等重金属的化学转化与去除过程。实验结果表明，闪速焦耳加热能够有效引发材料的微观结构重构，在1600°C时形成高度发达的多孔结构，为重金属挥发提供通道；同时该技术还能通过碳热还原作用使重金属挥发，并将碳添加剂转化为高价值的闪速石墨烯。研究显示，锌在1300°C时的去除效率可达82.3%，铅在1600°C时为64.1%，而铜和铬则能在重构后的材料中保持稳定状态。从经济性来看，该技术可将处理时间从数小时缩短至毫秒级，通过资源回收避免了二次废水产生，从而使危险废物处理从“成本中心”转变为“利润中心”。闪速焦耳加热为清洁生产体系中的“解毒-改性-资源回收”一体化处理提供了高效且具有前景的解决方案。

引言

随着城市化进程加快和生活水平提升，全球城市固体废物的产生量持续上升[1]、[2]。据统计，2018年美国产生了2.92亿吨城市固体废物，2021年欧盟为2.36亿吨[1]，而中国2022年的产生量则达3.11亿吨[3]。城市固体废物焚烧因其能将废物体积减少90%、质量减少约70%，同时还可回收能量，因而成为备受青睐的处理方式[1]、[4]。然而，这种处理方式仍会产生5–30%的剩余副产品，主要是城市固体废物焚烧底灰和飞灰[4]、[5]。城市固体废物焚烧底灰的重金属含量通常较低，可轻易作为填料重新利用；而飞灰则因含有大量重金属、可溶性盐及有毒有机化合物，会对公共健康和生态系统造成严重危害[6]。仅在中国，城市固体废物焚烧底灰的年产量就接近1000万吨[7]。鉴于飞灰的危害性，包括中国在内的许多国家都将其列为危险废物，要求在填埋前必须经过处理[4]、[6]。

现有的飞灰处理方法在效率、成本以及二次污染之间难以兼顾。基于水泥的固化处理虽然较为常见，但会导致废物体积增加且耐久性较差[2]、[8]；化学稳定化处理对某些金属如铅的去除效率可超过95%，但对于不同原料条件下的多种金属则难以实现有效固定[9]；热处理方法虽能有效破坏有机物，但能耗较高，还存在重金属挥发的风险[1]；湿法冶金方法虽可回收70–90%的金属如锌，但却会产生复杂的废水[10]、[11]。这些局限性使得需要更高效、更综合的飞灰管理策略。为克服传统处理技术的缺陷，新型处理方法，尤其是热处理技术，越来越受到研究关注。例如，低温热解技术（200–350°C）可在不使二噁英重新生成的情况下实现超过99%的PCDD/F分解效率[12]；与赤泥等工业废弃物结合的共还原处理则可通过调节系统熔点，将铁、铜、镍的回收率提升至76–83%[13]。

目前，飞灰的热处理技术正朝着能够同时实现解毒与材料改性的超快、高效率方向发展。闪速焦耳加热是一种新兴的超快热处理技术，它能在毫秒级时间内将材料加热到3000°C以上的极高温度，随后立即冷却[14]、[15]、[16]。与传统热解技术相比，闪速焦耳加热具有诸多优势：极高的加热/冷却速率（超过10? K/s）、出色的能源效率[17]、[18]、[19]、[20]；此外，该技术无需溶剂或催化剂，可直接将各种含碳废物转化为高价值的石墨烯，且具有较高的经济可行性[18]。已有研究表明，闪速焦耳加热在将碳废物转化为纳米碳、从复杂材料中回收有价值金属以及去除有害成分方面表现出了显著效果[17]、[21]、[22]、[23]。例如，邓等人就报道了利用闪速焦耳加热成功去除了飞灰中的镉、砷、铅、钴和镍[24]。不过，目前尚无关于该技术应用于飞灰处理领域的报道，尤其是闪速焦耳加热如何引发废物的结构变化以及重金属的化学状态变化与分布规律，这些方面仍需进一步研究。

依托闪速焦耳加热的独特优势，本研究系统地探讨了在不同温度范围（1000–1900°C）下该技术对飞灰物理化学性质的影响，以及其对重金属的去除与转化作用。通过分析飞灰的形态、孔结构、比表面积、元素含量及矿物组成变化，揭示了重金属挥发与飞灰结构演变之间的内在机制。这项研究突破了传统处理技术的低效率与高成本瓶颈，推动了飞灰解毒与资源回收的协同发展，为固体废物的快速高温处理提供了理论依据。

章节节选

样品与试剂

本研究所使用的城市固体废物焚烧飞灰采集自中国鄂尔多斯的鄂尔多斯市矿产资源研究开发有限公司。实验前，这些飞灰样本在真空烘箱中于80°C下干燥了12小时。通过X射线荧光分析（见表1）可知，飞灰的主要成分为氧化钙（46.35 wt%）和氯（19.83 wt%，此处为总氯含量），较高的钠含量则反映了当地居民的食盐摄入情况。飞灰的粒径分布为

显微结构分析

图3展示了飞灰以及经闪速焦耳加热处理后的材料的微观结构变化。图3a显示了原始飞灰的形态，其结构致密且体积较大，几乎看不到孔隙，这是无机颗粒聚集的特征。当飞灰与炭黑混合形成复合材料后（见图3b），其结构发生了细微变化。该复合材料由相对致密且形状不规则的颗粒聚集体构成，孔隙发育程度较低。在

结论

本研究成功地将闪速焦耳加热技术作为一种超快热处理方法，用于处理城市固体废物焚烧飞灰。通过利用毫秒级的高能脉冲，该技术实现了材料的微观结构重构、重金属的解毒以及资源的再利用。本研究得出的主要结论如下：

• (1)
  闪速焦耳加热处理彻底改变了飞灰的聚集结构，使其转变为三维多孔结构。该

作者贡献说明

Haoqiang Cheng：可视化分析、结果验证、实验指导、研究实施。Shiqi Dai：方法设计、研究实施。Yuhao Chang：方法设计、研究实施、数据整理。Yangchao Xia：软件应用、方法设计、研究实施。Yanzhen Fu：软件应用、方法设计、研究实施。Qiongyu Yang：论文初稿撰写、软件应用、方法设计、研究实施。 Zili Yang：论文初稿撰写、可视化分析、实验指导、软件应用、方法设计、研究实施，同时还负责资金申请与数据整理工作。Xiahui Gui：

利益冲突声明

所有作者均声明不存在任何可能影响本文研究结果的财务利益关联或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（52404297）、江苏省自然科学基金-青年基金（BK20240336、BK20250319）以及江苏省高等学校自然科学研究计划（25KJB470024）的支持。