在超声波碳酸化过程中重金属形态的演变路径及其随后在MSWI（城市固体废物）粉煤灰的胶凝利用中的表现

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在超声波碳酸化过程中重金属形态的演变路径及其随后在MSWI（城市固体废物）粉煤灰的胶凝利用中的表现

时间：2026年1月19日

来源：Process Safety and Environmental Protection

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超声辅助碳化处理显著降低飞灰中氯离子含量，重构矿物相与化学环境，形成稳定碳酸盐和氢氧化物的协同固化机制，有效抑制pH6~13范围内重金属溶出，确保其环境风险可控。

Jie Chen|梁慧丽|陈志良|刘俊伟|林晓青|王新月

教育部三峡库区生态环境重点实验室，重庆大学，重庆400045，中国

摘要

将碳酸化城市固体废物焚烧灰（MSWI FA）作为胶凝材料进行低碳利用，是一种实现无害处置和资源回收的有前景的策略。然而，胶凝体系中重金属的存在和转化机制仍不甚明了，这限制了其环境安全性和长期稳定性。本研究采用超声辅助碳化技术对FA进行预处理，增强了脱氯、碳化和脱碱作用，从而重构了其矿物组成和化学环境。随后将超声碳化的FA（UFA）掺入水泥浆中。通过pH依赖的浸出实验结合地球化学建模，阐明了RFA、UFA及FA混合物系统中主要元素和微量元素的矿物相变。在UFA-胶凝体系中，超声碳化降低了FA的碱度和离子强度，稳定了Ca和Mg的碳酸盐相，将石膏中的硫转化为羟铝石（AFt），并促进了C-S-A-H凝胶和AFt相的协同形成与致密化。阴离子元素（As、Cr）通过吸附在Fe氧化物上、与有机配体的络合以及在AFt中的晶格取代被固定，而阳离子金属（Cd、Pb、Zn、Cu）则通过形成不溶性碳酸盐和氢氧化物以及被封装在C-S-A-H凝胶中得到稳定。通过这些协同机制，在pH 6~13的范围内显著抑制了重金属的溶解度，从而使UFA和胶凝基体的最佳性能（OPTI）保持在低风险水平。本研究揭示了超声碳化和FA水化-凝胶化过程中涉及的元素稳定机制，为提高FA衍生胶凝系统的环境稳定性提供了理论基础。

引言

近年来，中国通过焚烧处理的城市固体废物（MSW）比例稳步上升，最新数据显示超过80%的MSW采用焚烧方式处理（Chen等人，2025a；Li等人，2026）。因此，城市固体废物焚烧灰（MSWI FA）的产量也急剧增加。这种富含氯化物、重金属和二噁英的残留物被归类为危险废物（HW18）（Li等人，2024a）。过去五年对典型MSWI FA样品的成分分析表明，其类型从“低Ca、高Si/Al”逐渐转变为“高Ca、低Si/Al”，同时重金属的浸出行为也发生了变化（Chen等人，2025a）。自2020年中国首次发布《城市固体废物焚烧灰污染控制技术规范（试行）》（HJ 1134-2020）以来，MSWI FA的资源化利用得到了官方鼓励。相应地，FA的评估标准也从基于醋酸浸出的填埋标准转变为基于水浸出的再利用标准。这一转变促进了针对MSWI FA的环境友好处理和资源回收策略的广泛研究，以确保符合监管要求。

超声辅助碳化被广泛认为是实现FA脱氯和重金属稳定的最有效方法之一（Chen等人，2025a）。FA中的碱性成分（如Ca(OH)₂和CaClOH）容易与CO₂反应，在碳化过程中同时去除氯化物、降低碱度并形成稳定的碳酸盐相，从而显著降低了重金属的浸出风险并提高了环境安全性（Chen等人，2025a）。大量研究表明，超声辅助碳化通过空化效应在液相中产生局部高温、高压和强烈的剪切力，不仅促进了CO₂的传质和溶解，还破坏了碳酸盐的钝化层，加速了含钙矿物的溶解和相变（Chen等人，2025a；Chen等人，2022）。这一过程有利于形成细分散、高活性的CaCO₃晶体，从而协同增强了脱氯、脱碱和碳化效率（Chen等人，2025a；Chen等人，2022）。因此，超声碳化显著提高了碳化反应速率和碳固定深度，进一步增强了处理后FA在低碳建筑材料中的资源化潜力（Chen等人，2025a；Chen等人，2023a）。在胶凝体系中，超声碳化的飞灰（UFA）不仅可以作为CO₂的封存载体，还可以作为成核促进剂和填充剂，共同改善了水化动力学和孔结构特性（Chen等人，2025a；Tang等人，2020）。因此，这项技术为MSWI FA的低碳、无害和高价值利用提供了工程可行的途径。

重金属形态的转化是理解FA无害处置和资源化利用的关键科学问题。目前，FA中重金属的形态主要通过顺序提取方法（如BCR或Tessier方案）以及X射线吸收近边结构（XANES）和扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）分析来表征，这些方法可以定性和定量地识别重金属的价态、配位环境和潜在迁移性（Rissler等人，2024；Tian等人，2018）。然而，大多数现有研究集中在单个元素或相对孤立的稳定系统上，对主要矿物相与微量重金属之间耦合相互作用的理解仍然有限。近年来，一些研究结合了pH依赖的浸出测试和地球化学建模工具（如PHREEQC和LeachXS/ORCHESTRA）来模拟FA系统中的重金属溶解度、稳定性和矿物饱和状态，但这些研究仍较为零散（ZHANG等人，2008；Kim等人，2023；Du等人，2018）。Wang等人报告称，PHREEQC模拟显示Cd的浸出与pH呈L形关系，Cu呈U形趋势，Pb和Zn呈V形趋势，它们的溶解/沉淀行为主要受CdSiO₃、Cu(OH)₂、Pb₃(OH)₃Cl和Zn(OH)Cl等矿物的控制。这些发现表明，碳化可能对某些金属（如Cd）的稳定性产生不利影响（Wang等人，2016a；Wang等人，2016b）。Chen等人进一步应用LeachXS/ORCHESTRA模型模拟了原始FA、常规碳化FA和超声碳化FA的溶解/沉淀平衡。结果表明，超声碳化促进了CaCO₃和MgCO₃的形成，并同时富集了重金属碳酸盐（如Ba、Cd、Cu、Ni、Pb、Zn）。这些金属的溶解主要依赖于pH，在pH 6~10时以沉淀物形式稳定存在，但在强酸性或碱性条件下会转化为可溶性离子或羟基络合物（如Pb(OH)₃^-、Zn(OH)₄^2-）（Chen等人，2022）。在基于FA的胶凝材料领域，Sun等人同样使用LeachXS描述了地质聚合物系统中的重金属浸出行为和矿物转化，将重金属浸出分为阳离子型、两性型和氧阴离子型，并强调了水合氧化铁（HFO）在稳定两性金属（Cu、Ni）和氧阴离子（As、Cr）中的关键作用（Sun等人，2019）。总体而言，这些研究推进了对FA及基于FA的胶凝材料中典型重金属溶解/沉淀控制机制和pH依赖性浸出行为的理解。然而，对于耦合碳化-水化过程中关键元素和重金属（包括阳离子和氧阴离子物种）的动态演变，包括矿物相变、溶解/沉淀平衡和吸附/络合反应的全面理解仍不足。

因此，本研究旨在系统阐明掺入超声碳化MSWI FA的低碳胶凝体系中主要元素和重金属的矿物相变和稳定机制。通过超声辅助碳化实现了FA的协同脱氯、脱碱和碳化，所得碳化材料用于制备水泥浆。通过结合pH依赖的浸出实验和LeachXS/ORCHESTRA地球化学建模，本研究深入分析了耦合碳化-水化过程中主要元素（Ca、Si、Al、Fe、S、Na、K、P、Mg）和重金属（Pb、Zn、Cu、Cd、Cr、As）的矿物演变、溶解-沉淀平衡和吸附-络合机制。进一步明确了关键元素对重金属长期稳定性的相互作用。本研究为MSWI FA在低碳建筑材料中的安全和高效资源化利用提供了机制性见解，并为其环境风险评估和地球化学行为预测提供了科学依据。

部分摘录

原材料和预处理

本研究中使用的原始MSWI FA（RFA）来自中国浙江省的一家典型格栅炉焚烧厂。这种FA具有高碱度和代表格栅式焚烧炉飞灰的成分特征。值得注意的是，格栅式焚烧炉目前占中国城市固体废物焚烧设施的93%以上（Chen等人，2025a），使得所选RFA高度反映了当前的工程实践。水泥熟料

元素组成

图1展示了原材料的主要元素组成。在六个样品中，CaO的含量始终最高，除RFA外所有样品中均超过50%。RFA中含有相对较高的Cl（24.6%）、Na₂O（14.1%）和K₂O（6.45%），XRD结果证实其中含有大量的NaCl和KCl。经过水洗和超声碳化预处理后，WFA和UFA中的Cl含量分别减少了77.3%和93.5%

结论

超声碳化通过协同增强脱氯、CO₂矿化和脱碱作用，重构了MSWI FA的矿物组成和化学环境，将游离的碱性Ca物种转化为稳定的方解石型CaCO₃，使系统从强碱性转变为接近中性，并显著降低了离子强度。这些变化消除了氯化物对水泥水化的抑制作用，改善了颗粒分散性和填充效果，并增强了火山灰效应

作者贡献声明

Jie Chen：撰写——原始草案，验证，项目管理，方法学，研究，数据管理，概念化。WANG XINYUE：撰写——审稿与编辑，监督，项目管理，方法学，研究，数据管理，概念化。Lianghui Li：方法学，研究，数据管理，概念化。Zhiliang Chen：撰写——审稿与编辑，方法学，研究，数据管理，概念化。Junwei Liu：方法学，研究。