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焚烧法处理城市垃圾具有减容减量显著、资源化程度高等优点，成为近年来发展最迅速的处理技术之一。焚烧处理后垃圾中无机成分会以灰渣的形式排出，其中焚烧飞灰含有高浸出毒性的重金属等污染成分，被普遍认为是一种危险废物，必须妥善处理。烧结和熔融等高温处理方法可以有效控制污染、而且还可实现资源化利用。相对与熔融处理技术而言，烧结技术能耗低，而且运行维护相对简单。发达国家和地区对垃圾焚烧飞灰的烧结进行了深入研究，其中中国台湾和日本的研究比较具有代表性，而国内相关研究刚刚起步。
飞灰烧结过程中，大部分重金属被固化在烧结体内，浸出特性大大降低而避免环境污染，其余部分以气态形式挥发，可能造成新的污染，尤其以铅、锌、镉等低沸点元素更加突出。因此提高重金属残留率是一个重要问题。Chan等人研究了温度、反应时间、氯化物种类等因素对重金属挥发特性的影响。为了深入探讨各种烧结条件下的重金属迁移特性，本文对我国垃圾焚烧飞灰进行收集并开展烧结实验研究，讨论了在空气气氛条件下，不同烧结温度、制样压力、飞灰成分等因素对Cd、Pb、Cu、Zn、Ni、Cr等6种重金属固化特性的影响，为实现飞灰中重金属最佳迁移效果提供理论支持。
1材料与方法
1.1样品制备与分析
实验原料为采集自我国南方某垃圾焚烧厂布袋除尘器的飞灰。飞灰样品先进行均匀混合，研磨至粒度小于150目，并烘干去除水分的影响。参照USEPA3050，采用HNO3-HF-HClO4方法对飞灰样品进行溶解，然后用美国PerkinElmer公司的Analyst200原子吸收光谱分析仪进行重金属含量分析。利用此方法测得的飞灰中重金属含量见表1。
表1飞灰中重金属含量／Mg•g-1 
1.2实验装置与实验方法
本实验采用高温箱式电炉对飞灰样品进行高温烧结。实验电炉温度上限为1250℃，炉膛尺寸为400mm×250mm×160mm。
使用特制模具，将经烘干去除水分的飞灰样品压制成直径为24mm，高约25mm的圆柱体。然后将样品置于已达到预定烧结温度的电炉内进行恒温烧结实验。烧结实验的温度变化范围1040℃～1100℃，实验的气氛则是以空气为介质的氧化性气氛。烧结后将飞灰试样立即置于20℃空气中冷却。
2结果与讨论
飞灰烧结是运用较熔融法低的能量，提供粉末颗粒的扩散能量，将大部分甚至全部气孔从晶体中排除，颗粒间产生粘结，在低于熔点温度下变成致密坚硬的烧结体，使重金属被固化在烧结体内，从而重金属析出的可能性大大降低，达到控制重金属污染的目的。为了考察重金属的固化效果，对各种重金属迁移到烧结体中的份额进行分析计算，引入残留率R的概念表示如下： 
式（1）中，R为残留率；c1为烧结前灰中重金属含量；c2为烧结体中重金属含量；m1为灰质量；m2为烧结体质量。
2.1温度对重金属残留率的影响
图1为3kN制样压力，烧结4h的重金属残留率。Cd在1100℃时达到最高残留率仅为16.96％，且在1040、1080、1100℃时的残留率差别不大；Pb迁移特性与Cd较相似，残留率变化不明显，在1080℃时Pb残留率达到最高为17.87％；Zn在1040℃时残留率为78.3％，但1080℃时下降为21.9％；Ni残留率在1040℃时达到78.3％；Cu在1080℃达到最高残留率88.39％。
图1烧结温度对重金属迁移特性的影响
由图1可见，飞灰中重金属经烧结后，重金属迁移特性效果差别较大。Cd、Pb残留率受烧结温度影响变化不大，并且相对于其他4种重金属，它们的残留率一直保持在一个较低的水平，对1040～1100℃的温度变化不敏感。Ni残留率受温度影响有一定变化。Zn、Cu、Cr的残留率受温度影响变化较大，属于对温度敏感的金属，其中Cr的残留率随温度升高而稳定上升。Cd和PB残留率始终较低，属于易挥发性金属。Jacob等人研究证实在1100℃空气气氛下，Cd和Pb的挥发率可达98％～100％，与本文研究结果相近。Cd和Pb的熔沸点较低，高温下十分易于蒸发，因此Pb、Cd残留率也就很低。Cr残留率随温度上升而稳定提高，这主要因为温度升高可以促进Cr3＋转变为Cr6＋，而Cr6＋较Cr3＋更不易挥发，Jacob等人研究证明，在高温烧结过程中可以生成Zn2SO4或Zn2Al2O4，从而抑制了挥发，使Zn的残留率降至50％，这是Zn残留率变化的主要原因。Ni的残留率随温度升高略有下降，可见其不易挥发，随温度升高，挥发量略有增大，残留率有所降低。Cu的残留率呈波峰状，且属于不易挥发金属。
2.2烧结时间对重金属残留率的影响
图2为制样压力15kN，烧结温度为1100℃时的重金属残留率。烧结3h后，Cu残留率明显开始降低烧结3h测得残留率为85.4％，4h后残留率为55.63％,5h后则为43.01％；3h后Cd残留率不高于34％；Pb残留率不高于18％；Cr、Ni、Zn的残留率均较高，5h后残留率均不低于40％，且烧结时间对它们的残留率影响不显著。
图2烧结时间对重金属迁移特性的影响
由图2可以看出，烧结时间对各种重金属的残留率的影响基本一致，即随时间增加，重金属残留率逐渐降低。这是因为重金属挥发量会随烧结时间的延长而增加。Cd、Pb、Ni残留率随时间变化略有起伏，这是因为在烧结过程中，少量已挥发金属又重新沉着在烧结体上造成的，但这3种金属残留率起伏变化并不明显，这些影响可以忽略不计，可见过长的烧结时间对他们的迁移性能并无太大影响。烧结3h后，Cu残留率明显开始降低，这说明在烧结3h后，Cu才开始大量挥发。Vassilev等人根据重金属挥发性分为亲铜金属与亲铁金属，亲铜金属在高温下极易挥发，Cu属于亲铜金属，但本实验中Cu的高挥发性表现并不明显。PbO熔点886℃，沸点1472℃，难分解而易挥发,950℃时挥发已显著；PbCl2熔点498℃，沸点954℃。而飞灰中Pb主要以PbO和PbCl2形式存在，因此1100℃下挥发较剧烈且迅速。本实验验证了Pb在高温下的强烈挥发特性。飞灰中Cd主要以CdO和CdCl2形式存在，而CdO熔点568℃，沸点也仅为964℃。由图2可见，在3h以前Cd、Pb挥发基本完成，属于易挥发金属。
2.3制样压力对重金属残留率的影响
图3为烧结温度1100℃，烧结时间4h情况下，重金属残留率随制样压力的变化情况。Ni残留率随压力增大逐渐降低，其他5种重金属残留率基本呈相反趋势。Cr、Cu在制样压力小于15kN这个区域残留率随压力增大而增高；Cr残留率由35.59％升至79.63％；Cu残留率由37.78％升至55.63％。
制样压力越大，颗粒间的堆积越紧密，烧结体的孔隙率就越小，烧结体的致密化程度越高，这对重金属迁移效果有影响。由图3可看出，Zn、Cd、Pb残留率随制样压力的增大而提高，说明制样压力增大，颗粒间距离减小，颗粒更容易粘结，残留率也就越高。
Cr、Cu在压力过高的情况下，残留率反而降低。烧结过程中的化学反应很难具体探查，但可以推测这是因为在制样压力过大的情况下，烧结过程中烧结体内部或外部会产生裂纹，造成烧结体比表面积的增大，Cr、Cu反而更容易挥发。Ni残留率随制样压力增大而降低，这说明压力越大，颗粒间气室越小，烧结过程中气室压力越大，造成Ni的化学反应平衡向更易挥发的方向移动。另外，由于制样压力对重金属迁移的影响情况较复杂，通过改变制样压力来改变重金属迁移效果，对压模工艺要求较高。若飞灰试样受力不均或压力过高而产生微小裂纹，则很容易增加飞灰的比表面积，对其金属迁移效果产生不确定的影响。
图3制样压力对重金属迁移特性的影响
3结论
（1）在空气为介质的氧化性气氛下，烧结温度对Cd和Pb的影响不明显，高温下Cd和Pb均极易挥发。烧结温度对Ni有一定的影响，而对Cr、Cu和Zn的影响显著。Cr残留率随温度升高而显著提高，Cu和Zn的残留率随温度升高有所波动。
（2）烧结时间对各种重金属残留率的影响大致相同，都呈现下降趋势，即随着时间的增加，重金属残留率逐渐降低。对于Pb和Cd，烧结3h残留率已较稳定。
（3）制样的压力越高，飞灰的内部结构就越致密，重金属就越不容易逸出，残留率越高。但是，有的重金属只是在某个区域有固化最大值，如Cr时在15kN时有最大值79.63％，Ni是在5kN时有其最大值73.18％，Zn则在20kN有最大值72.5％。
参考文献：略
