生活垃圾焚烧飞灰微观表征分析

李斯

摘要：针对城市生活垃圾日渐增多问题，焚烧法因效率高、占地小、可回收能源等优点成为垃圾处理的主要方式，焚烧产物之一的焚烧飞灰成分复杂多样且含有重金属，因此分析和确定焚烧飞灰的组成成分和结构，探究焚烧飞灰资源化利用可行性具有重要的现实意义。

关键词：焚烧飞灰 扫描电镜 XRD 差示扫描量热 资源化利用

传统垃圾填埋技术因大量占用土地、污染环境等缺陷，已不能适应目前发展需要。垃圾焚烧技术速度快、占地面积小、减量化和无害化、可回收能源等优点凸显出来[1~2]。但垃圾焚烧后会产生焚烧飞灰等固体废弃物。焚烧飞灰主要由颗粒细小的尘粒构成，化学组分复杂，后期处理困难，含有重金属元素、二噁英类（PCDDs）和呋喃类（PCDFs）污染物（简称“二噁英”）等有毒有害物质，必须进行特殊处理，避免造成焚烧飞灰对环境的二次污染。另外，焚烧飞灰还含有CaO、SiO2等活性组分，具有资源转化与利用的潜质[3~5]。庞大的道路工程为焚烧飞灰资源化处理和转化提供了巨大的容器，可以对焚烧飞灰在道路工程中的应用进行更广泛的研究。因此，本文采用扫描电镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）和差示扫描量热法（DSC）对焚烧飞灰的热性能和结构进行表征，以探讨焚烧飞灰的主要矿物组成、表观形貌、化学成分，为后续资源化利用提供基础。

1原材料与实验方法

1.1 原材料

焚烧飞灰，重庆同兴垃圾焚烧发电厂；1∶5水洗灰，1份焚烧飞灰与5份自来水混合搅拌后烘干磨细。

1.2 表征方法

（1）SEM利用扫描电子显微镜（SEM）分析焚烧飞灰和1∶5水洗灰的表观形貌。

（2）XRD采用X射线衍射仪（XRD）分析焚烧飞灰的主要矿物组成以及各成分的含量

（3）DSC差示扫描量热法（DSC）测定焚烧飞灰在不同温度下吸放热变化情况，分析其大致含量。

2结果与分析

2.1 SEM分析

图1和图2分别为焚烧飞灰与1:5洗水洗灰的SEM图。

图1  焚烧飞灰的SEM图                        图2  1∶5水洗灰的SEM图

从图1中可看出，焚烧飞灰为团絮状，表面疏松多孔，较小的细颗粒依附在较大颗粒表面[6]。从图2可看出，1∶5水洗灰内部结构紧密，表面存在六方板状及片状颗粒，原因是在水洗过程中，焚烧飞灰发生水化反应，形成了凝胶体，生成了氢氧化钙和Friedel盐（简称F盐）。除此之外，还存在一些长条状与针状颗粒，是焚烧飞灰水洗过程产生的钙矾石，因而可以控制重金属离子的迁移，起到固化作用。

2.2 XRD分析

图3和图4分别为焚烧飞灰与1:5水洗灰的XRD图。

图3  焚烧飞灰XRD图                          图4  1∶5水洗灰XRD图

从图3可以看出，焚烧飞灰中的成分主要以氯盐、钠盐、钾盐、钙盐、碳酸盐形式存在，同时还含有SiO2、CaO、PbO及Al2O3等[7]；另外，焚烧飞灰的XRD图谱中有很多小的重叠峰，表明焚烧飞灰中含有大量非晶态物质，因此焚烧飞灰活性高。从图4可以看出，大多数盐（氯盐、锌盐等）都被洗除掉；同时发现在2θ为11.2°附近出现高衍射峰，这是由于焚烧飞灰在水洗过程中发生了水化，由Cl-、SO42-与Ca(OH)2等水化产物发生反应生成了F盐。

2.3 DSC分析

图5为焚烧飞灰DSC结果。从图5以看出，在100℃附近的吸热峰为焚烧飞灰中物理吸附的水被脱除；在380℃~449.5℃的吸热峰表明焚烧飞灰结构水的脱除，同时焚烧飞灰中重金属（如Hg）、氯化物（如FeCl3）达到沸点时被挥发等；在450℃~540℃，吸热峰的面积为151.1J/g，此吸热峰包括前面部分未挥发完全的重金属及氯化物继续挥发，某些金属氧化物会在此温度区间发生分解，以及焚烧飞灰中某些组分可能发生晶型转变。

图5  焚烧飞灰DSC曲线

3结论

焚烧飞灰为纤维状、团絮状颗粒堆积而成疏松多孔状，成分主要为氯盐、钠盐、钾盐、钙盐、碳酸盐，同时含有SiO2、CaO、PbO与Al2O3等氧化物和大量非晶态物质，表明活性高。DSC分析表明焚烧飞灰热性能复杂，与其组成成分密切相关。

因焚烧飞灰中含有二噁英类和可浸出重金属等，故在其资源化利用时要考虑其对人类和环境的危害，可进行预处理，再进行使用。

参考文献：

[1] Ogawa N ,  Amano T ,  Nagai Y , et al. Water repellents for the leaching control of heavy metals in municipal solid waste incineration fly ash[J]. Waste Management, 2021, 124(4):154-159.

[2] Wang K ,  Ni W ,  Zhang S . Stabilization/Solidfication of cadmium in municipal solid waste incineration fly ash by using cemented backfill agent[J]. IOP Conference Series Earth and Environmental Science, 2019, 218:012062.

[3]袁玲, 施惠生, 岳鹏. 垃圾焚烧飞灰胶凝活性初探[J]. 同济大学学报(自然科学版), 2003, (12): 1444-1448.

[4]施惠生, 阚黎黎, 许碧莞. 垃圾焚烧飞灰早期胶凝活性激发研究[J]. 水泥技术, 2009, (1): 18-22.

[5]徐林智, 孙青, 张俭, 严俊, 吴坤, 潘方珍, 盛嘉伟. 垃圾焚烧飞灰无害化与资源化现状及发展趋势[J]. 环境保护前沿, 2017, 7(5): 414-422.

[6]谭巍,李菁若,季炜,杨玉飞.城市生活垃圾焚烧飞灰在沥青混合料中的应用[J].中国公路学报,2016,29(04):14-21.

[7]孙进,谭欣,张曙光,纪涛.我国14座生活垃圾焚烧厂飞灰的物化特性分析[J].环境工程,2021,39(10):124-128.