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垃圾焚烧技术的推广，导致焚烧飞灰大量产生。飞灰中含有高浸出浓度的重金属、盐类以及高毒性的二恶英等有害物质，若不进行妥善处理或处置，重金属及有害物质将在生态环境中迁移，污染地下水、土壤和空气，最终危害人类健康。因此，我国《生活垃圾焚烧污染控制标准》(GB18485-2001)将飞灰列入危险废物。目前，国内外对垃圾焚烧飞灰无害化处理方法主要有以下4种：熔融固化/玻璃化；水泥固化；化学药剂稳定化；酸或其他溶剂提取法。其中，熔融固化法可将飞灰中重金属固定在致密的Si-O晶格中，大大减少重金属的浸出；同时，能有效地将飞灰中二恶英等有害物质气化、分解；另外，熔渣可进行资源化利用，但从环境长期安全性考虑，熔渣中重金属在某种适当的条件下仍会浸出，对环境构成潜在危害。另外，焚烧飞灰在高温熔融过程中，即使采用各种技术和方法来加强重金属固化，仍会有部分重金属蒸发，这不但会增加后续尾气处理系统的负担，而且蒸发的重金属很可能对环境造成二次污染。
该研究利用飞灰中重金属在高温下蒸发的特性，在650～1350℃温度下研究了CaCl2对飞灰中重金属蒸发的影响，并对蒸发物的成分及物相进行了分析，旨在探索飞灰中重金属在高温热处理过程中的迁移转化规律。
1实验条件与方法
1.1飞灰
飞灰样品采自我国华东某城市生活垃圾焚烧厂，其处理规模为500t/d×3台，采用半干法+布袋除尘的尾气净化工艺，飞灰取自布袋除尘器。飞灰的主要成分有Ca，Si，Al，S，K，Na，Fe和Cl等，约占总质量的80%；未经处理的原灰为黑白相间的细小颗粒，飞灰的平均粒径为10～100μm，粒径主要分布在38～106μm。飞灰的堆积密度为0.675，真密度为2.92，含水率为0.65%～1.20%，呈碱性，pH为12.59，熔融温度为1320℃，灼减率为3.5%～4.8%。重金属质量分数采用德国Finnigan-MAT公司的电感耦合等离子体质谱仪(HR-ICP-MS)测定，利用飞利浦X射线荧光光谱仪PW-2404(XRF)对飞灰和收集蒸发物的主要成分进行分析，物相鉴定采用飞利浦X射线衍射仪PW-1700(XRD)。
1.2装置与方法
采用自行设计的高温管式电炉对飞灰进行了热处理实验。高温管式电炉主要包括进气系统、高温加热系统、蒸发物收集系统以及尾气处理系统。高温管式电炉如图1所示。
图1高温管式电炉
实验前，在设定温度(650，750，850，950，1050，1150，1250和1350℃)下，将装有30g飞灰的坩锅放入炉膛，同时开启进气系统，当温度达到预设温度时，保持5h，然后取出坩锅冷却，灰渣(热处理后的飞灰)采用空冷，以空气为载气，进气量为600mL/min。
2结果与讨论
2.1CaCl2作用机理
国外有学者对垃圾焚烧飞灰中重金属蒸发特性做了一些研究，如Jakob A等研究了气氛对重金属蒸发的影响，而国内对飞灰中重金属蒸发特性的研究鲜见报道。该研究以CaCl2为氯制剂，以空气为载气，对飞灰进行了高温热处理。
CaCl2促进重金属蒸发的作用机理是CaCl2与空气中的O2发生氯化反应生成Cl2，Cl2与飞灰中重金属的氧化物(MO)反应生成低沸点的金属氯化物，从而促进重金属的蒸发。Chan Chris等研究的CaCl2作用机理如下：
CaCl2+1/2O2→CaO＋Cl2(1)
MO+Cl2→MCl2+1/O2(2)
式(1)，(2)可以简写成：
MO+CaCl2→MCl2+CaO
表1以设定温度1050℃为例，列出了几种重金属氧化物在1050℃时与CaCl2反应的吉布斯自由能变(△G)，当△G＜0时，反应向正方向进行。
表1重金属氧化物与CaCl2反应的吉布斯自由能变
2.2CaCl2添加比例对重金属蒸发率的影响
垃圾焚烧飞灰经高温热处理后，灰渣可作为铺路材料以及建筑材料的原料，重金属经回收后可资源化，如可作为冶金原料或者富集成矿。添加不同比例的CaCl2(w(CaCl2))在1050℃下对飞灰中重金属蒸发率的影响如图2所示。从图2可知，易蒸发重金属Pb和Cd的蒸发率随着w(CaCl2)的增加而增大，其中Cd的蒸发率增加最为明显，当w(CaCl2)为15%时，Cd的蒸发率由原灰的43.8%剧增到88.3%；随着w(CaCl2)的增加，Cu的蒸发率有所下降，而Zn的蒸发率则基本保持不变。Pb在高温下形成易蒸发的双金属氯化物(KPb2Cl5)，如图3所示，而其他重金属则由于在蒸发物中含量较少，不能达到仪器的检出限而未能检测到，但可根据Pb推测其图2CaCl2添加量对Zn，Pb，Cu和Cd蒸发率的影响蒸发形态为氯化物。
2.3温度对重金属蒸发特性的影响
温度对重金属蒸发特性影响的实验结果如图4所示。从图4可看出，当CaCl2添加比例为10%时，空气中Pb，Cd，Cu和Zn的蒸发率均随着温度的升高而增大，蒸发率依次为Pb＞Cd＞Cu＞Zn。当温度小于750℃时，即使加热5h，各种重金属的蒸发率仍然较低；当温度为750～1050℃时，Pb的蒸发率呈线性增加，在1250℃时达最大值，基本接近100%；当温度大于750℃时，Cu和Zn的蒸发率均低于Pb和Cd，二者的蒸发率均随着温度的升高而逐渐增大，但最终均未达到稳定值。
2.4蒸发物主要成分及形态
为探索飞灰中重金属在高温热处理过程中的迁
移特性，实验在1050℃下收集了飞灰的蒸发物，这些蒸发物主要为淡黄色粉末及部分黄绿色凝结物，其化学组成如表2所示。由表2可知，在蒸发物中w(Ca)由原灰时的401.0g/kg降为2.0g/kg，w(Na)，w(K)和w(Cl)的总和由原灰时的297.0g/kg剧增到764.0g/kg。表明蒸发物主要以钠盐和钾盐为主，并以氯化物形式蒸发(见图3)；相对于原灰，蒸发物中重金属含量有不同程度的增加，易蒸发重金属的w(Pb)和w(Cd)均高于原灰，其中w(Pb)的最大值为25.500g/kg，而w(Zn)为2.725g/kg。
图3为收集物的X射线衍射谱图。由图3可知，
表2飞灰和蒸发物的化学成分(g/kg) 
Pb主要以双金属氯化物(KPb2Cl5)形式蒸发，由于X射线衍射仪(XRD)检出限为1%～2%，除Pb外，其他重金属含量均低于0.5%，导致其化学形态无法用XRD检出，但因原灰中氯含量较高，仍可推测Cu，Zn和Cd以氯化物的某种化学形态蒸发的可能性较大，这需要采用其他分析手段做进一步验证。
3结论
a.CaCl2能有效促进飞灰中重金属Pb和Cd的蒸发，当温度为1050℃时，Pb和Cd的蒸发率均随温度的升高而增加，其中Cd最为明显，当CaCl2添加比例为15%时，Cd的蒸发率由原灰的43.8%剧增到88.3%。
b.当CaCl2添加比例为10%时，重金属Pb，Cd，Cu和Zn的蒸发率均随着温度的升高而增大，其中Pb在1250℃时，蒸发率达到最大，而其他几种重金属的蒸发率均未达到稳定值。
c.蒸发物成分及物相分析表明，蒸发物主要由NaCl和KCl为主，重金属Pb则以双金属氯化物形式蒸发。
参考文献：略
