基于量子化学理论MSW焚烧飞灰熔融固化过程多元氧化物熔融及重金属固化机理研究

Great attention has been paid to the Melting and Solidification Technologies in the field of pollution control and resource utilization of solid waste due to the good solidification effect of heavy metals (SEHM) and the high value added utilization. In this study, the investigation on melting mechanism of multiple oxides will be carried out to reveal the essence of ash melting for seeking the feasible method of energy saving in ash melting process. Moreover, the solidification mechanism of heavy metals in polycrystalline materials will be investigated to explain the difference in the leaching behavior of heavy metals in glass ceramics for enhancing SEHM by virtue of crystal phase composition. Main research contents were as follows: (1) the effect of additives on the melting behavior of raw materials belonged to CaO-Al2O3-SiO2 ternary system; (2) QSAR/QSPR research on the melting behavior of multiple oxides based on quantum chemistry theory; (3) the evaluation and principle analysis of the solidification effect of heavy metals in polycrystalline materials. By virtue of QSAR/QSPR, this investigation will predict or explain material properties and the chemical reaction mechanism, in order to provide theoretical basis for the consumption reducing technology in ash melting process and the production of environment-friendly building material using ash as raw material。

熔融固化技术因其良好的重金属固化效果和高附加值利用特性在固废污染控制与资源化利用领域倍受关注。针对熔融过程的高能耗现象，本项目以多元氧化物熔融机理研究为切入点，分析灰渣熔融的本质，预期获得灰渣熔融节能降耗的可行方法。针对灰渣熔融固化制备的微晶玻璃重金属固化效果的差异，开展多晶材料固化重金属理论研究，预期实现通过控制微晶玻璃晶相形成来增强材料对重金属的固化作用。主要研究内容包括：（1）掺入物对CaO-Al2O3-SiO2三元系物质熔融行为的影响；（2）基于量子化学理论的多元氧化物熔融QSAR/QSPR研究；（3）多晶材料重金属固化效果评价及固化机理诠释。本项目采用化合物定量结构与性能/性质关系解释/预测材料性质和阐述化学反应机理，为研发灰渣熔融固化过程的节能降耗技术和以灰渣为原料生产多功能环保建材提供理论依据。

熔融技术减容减量化明显，重金属固化效果好，可将熔渣制备成高品质微晶玻璃，因而成为垃圾焚烧飞灰在污染控制与资源化利用过程中备受关注的技术之一。本项目针对飞灰熔融过程能耗高特点，基于飞灰理化特性分析，考察添加剂SiO2对灰熔融行为的影响和热处理制度对微晶玻璃性能的影响；基于量子化学理论，模拟分析灰熔融过程主要矿物的演变行为与灰熔点之间的关系。研究表明：高钙飞灰中添加适量SiO2具有助熔作用，过量则导致熔融温度再次升高，熔融温度呈先降低后升高的趋势。分子模拟表明熔体中非活性氧（Si-O-Si）和活性氧（Si-O，自由氧）比例变化是熔融特性改变的内因。当碱度（Ak = mSiO2/mCaO）< 1时，过量的Ca2+易与活性氧发生集聚反应，形成热稳定性好的假硅灰石；当碱度接近于1时，生成矿物以硅灰石为主晶相，熔体中活性氧占总氧比例达77.78%，使其熔融特征温度降至最低；当碱度 > 1时，以桥氧键Si-O-Si存在的SiO2和方石英致使熔融温度升高。生成矿物中形成能高的钙铁榴石、钙铝黄长石和假硅灰石，属耐熔矿物；而硅灰石、硬石膏和三型钾霞石形成能较低，属助熔矿物。飞灰熔渣经热处理可制备成微晶玻璃，研究发现：矿物演变行为和微观结构变化是影响微晶玻璃物化特性（抗压强度、吸水率和化学稳定性）的关键因素。. 灰熔融是一个十分复杂的热化学反应，经熔融及析晶处理后，重金属的赋存形态发生了一定的变化。研究发现：相比于Si、O、Al、Ca等元素，飞灰富含的重金属仍属于痕量元素；在飞灰熔融过程中，以取代掺杂和成键结合方式存在于矿物晶体中的行为尚未被检测出，空位掺杂被认为是重金属原子与矿物晶体结合的主要方式。赋存于矿物晶体中空位掺杂的重金属经强酸提取可从晶格中解离出来，而取代掺杂和成键结合的重金属因晶体周期性结构而相对稳定。为评估灰熔融前后重金属潜在生态风险，建立了修正的STI模型，毒性评估表明熔渣的生态风险远低于飞灰。