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垃圾焚烧过程重金属的环境污染问题引起人们的重视。垃圾焚烧飞灰中含有高浸出浓度的重金属等污染成分而属于危险废物。熔融处理技术是近几年新兴起的垃圾焚烧灰渣无害化处理技术。熔融处理使飞灰中二恶英等有机污染物分解，熔渣快速冷却形成致密而稳定的玻璃体，有效地控制重金属的浸出。熔融处理过程中重金属的迁移特性对污染控制效果有重要影响。Chan与Stucki分别研究了焚烧飞灰热处理条件(温度、时间、氯化物种类与含量等)对重金属挥发特性的影响，TakaokaM揭示了重金属固化性能与飞灰成分的相互关系，Jakob在670～1300℃区间内重点考查了温度对各种重金属的影响。然而关于添加剂对熔融过程重金属迁移分布影响的研究并不多见。
本文主要研究一种液体陶瓷(LC)添加剂对熔融处理过程重金属固化的影响，着重考察LC添加比例以及一定比例下温度、时间等因素对镉(Cd)、铅(Pb)、铜(Cu)、锌(Zn)、镍(Ni)、铬(Cr)等重金属固化的影响，进而为评价液体陶瓷对重金属固化的促进作用提供依据。
1 实验装置和方法
1.1 实验装置
采用自行设计建造的高温实验装置进行飞灰熔融实验，该装置如图1所示，主要包括熔融炉、气路、气体收集系统等部分。熔融炉炉膛内径为100mm，高600mm，采用硅钼棒为加热元件，最大加热功率为12kW，温度上限为1600℃。采用3只B型热电偶进行测温，并用KSY型可控硅进行控制输出功率来实现控温。
1.气源2.缓冲器3.流量计4.控制柜5.炉膛6.水冷套管
图1 垃圾焚烧飞灰熔融实验装置简图
1.2 实验方法
飞灰熔融实验在恒温下进行，首先将熔融炉整定在设定温度，将盛装一定量垃圾焚烧飞灰(60g左右)样品的刚玉坩埚放入炉内保持一定时间，待灰渣完全熔融后将坩埚取出并冷却。实验中的条件变化主要包括LC添加比例、温度、熔融时间等因素。熔融在以空气为介质的氧化性气氛下进行，气体流量为1.5m3/h。
1.3 样品制备与分析
实验飞灰分别取自2个垃圾焚烧炉的尾部除尘设备。将飞灰或熔渣研磨保证粒度小于150目，试验前进行烘干。采用HNO3-HF-HClO4方法进行溶解，利用美国热电公司的SOLAAR原子荧光分光光度仪进行重金属的分析。熔融实验所用的飞灰中6种重金属含量见表1。同时将LC添加剂中的重金属含量进行测量，一并列入表中。
表1 实验用垃圾焚烧飞灰和LC添加剂的重金属含量（mg/kg）
为了评价各种重金属在熔融过程中停留在熔渣中的程度特引入固化率的定义：
2 实验结果与分析
2.1 LC添加比例对重金属固化的影响
液体陶瓷(LC)是专门用于提高飞灰高温处理过程重金属的固化率和二恶英分解率而开发出的药剂，是一种无机物的碱性溶液，以硅为主要成分、用特殊方法使硅烷醇(SiH4-HOHn)盐和硅氧烷(H3Si-O-SiH2)碱性水溶液化的制品。目前关于该液体陶瓷对熔融过程重金属固化效果的影响研究未见公开报道。
图2 LC添加比例对重金属固化效果的影响
飞灰样品在空气气氛下1400℃熔融60min的重金属固化率如图2数据所示(添加剂为0)。可以看出，飞灰中重金属经过熔融处理后，各种重金属成分的迁移规律差别很大。总体看来，Ni和Zn的固化率较高，不易挥发，尤其是Ni，几乎所有成分都固化在熔渣中，表明熔融过程Ni的固化最理想，Zn的固化率为76.7%。Cd、Cr的固化率分别为66.7%和68.35％。Cu的固化率不高，略高于50%，而Pb在熔渣中的份额较低，仅为41%，说明Cu和Pb的挥发性比较强。
在飞灰中分别加入1%、2.5%、5%和10%的LC，在1400℃、空气气氛下熔融60min，然后分析重金属固化结果，见图2。从图2中可以看出，LC添加比例对熔过程中金属固化有一定程度影响。最为明显的是Pb，随着LC的增加，Pb的固化率逐步升高，说明LC对Pb固化有明显的促进作用。此外，Zn也基本随着LC的增加固化效果得到提高，只是程度略轻。Ni的变化最小，基本能够保证100%。值得指出的是Cd，加入LC后使其固化率降低很多。Cu也有类似规律。Cr随LC的增加先上升后下降，说明对于Cr来说，加入2.5%能够达到最佳固化效果。所以LC的添加量对各种金属的效果不同，具有明显的选择性，因此就多种重金属总体固化而言，绝不是LC添加量越多越好。2.2 时间对LC作用的影响
飞灰中加入10%的LC，在熔融温度为1400℃，空气气氛下进行不同时间的熔融实验，各种重金属的固化效果如图3所示。结果表明随着时间增加，Cd、Cr、Zn3种重金属的固化率有不同程度下降，其中Cr和Zn下降幅度很大，Cd程度轻微。说明随着熔融时间的增加，重金属还在不断挥发，导致熔融中的固化率有所降低。但各种重金属在该实验的时间范围内，变化不尽相同。对于Cd而言，在61min后固化率几乎不变，说明Cd的挥发在61min前基本结束。加入10%的LC后，Cr和Zn则在61min后有一个明显挥发，表明导致二者挥发的反应速率较低，需要相当的时间达到挥发。Cr在61min之前几乎不挥发，达到了良好的固化，而Zn在33min时就经历一个明显的挥发过程，在33～61min时间内固化率没有明显变化。Ni和Cu在该LC添加比例和实验条件下，固化率受时间影响不大。Ni一直保持突出的固化效果，而Cu的固化率一直在33%左右徘徊，暗示Cu的挥发相对迅速，在33min之前完成主要的挥发，随后不再有显著挥发。由此可见，在熔融处理过程中，为了提高重金属的固化率，时间不宜过长，在保证熔融的条件下时间短比较有利，而且从能耗和处理量方面来看，熔融时间也应尽可能短。
图3 不同时间下LC对重金属固化的影响
2.3 LC在不同温度下的作用
在飞灰中加入10%LC，分别在不同温度下进行实验，各个实验都是在空气气氛下进行，熔融时间为65min，各种温度下重金属的固化率见图4。需要指出的是，900℃的条件下飞灰并没有熔融，为了考察LC的效果所特别开展该实验。结果表明，随着温度增加，Cr的固化率明显降低，由99.3%下降到59.2%，可见当加入LC后，高温造成Cr的大量挥发；Ni的固化率略微降低，但仍然保持高固化率，Pb的固化率从900℃的68%降低到1200℃时的65.2%，之后没有明显变化。熔融过程Cu和Zn的固化率随温度增加略微升高，但Zn的增幅非常小，不同温度下Cu的固化率变化也很小。但LC对Cd和Cu的固化效果并不理想。说明LC对重金属固化的促进作用具有选择性。因此该液体陶瓷无法实现对所有重金属都实现有效的固化，这也是LC试剂的局限所在。
图4 不同温度下LC对重金属固化的作用
3 结论
(1)飞灰熔融过程中重金属的迁移特性因元素不同呈现出较大差异。Ni、Zn通常属于不挥发金属，Cd、Cr的固化率也比较高，Cu、Pb容易挥发，属挥发金属。
(2)LC对各种重金属固化的影响也因元素种类而易。LC添加剂对飞灰熔融过程重金属固化有显著影响。加入LC有助于提高Cr、Pb和Zn的固化率，但使Cd、Cu固化率降低。
(3)不同的LC添加比例对各种重金属固化率存在不同程度影响，即使不考虑成本也并非越多越好。
(4)熔融时间对加入LC的飞灰中重金属固化特性有一定影响。时间增加导致Cd、Cr、Zn的固化率有不同程度下降，其中Cr和Zn下降幅度很大，Cd下降程度轻微。为了实现更高的固化率应该在保证熔融充分的前提下尽量缩短熔融时间。
(5)加入LC后Cr的固化效果受温度影响显著，高温导致Cr的挥发强化，降低固化率，其余重金属的固化对温度并不敏感。说明LC对各种重金属迁移特性的影响具有选择性。
参考文献：略
