热处理过程的重金属氯化反应与基质化固定竞争机理

The migration of heavy metals during waste thermal treatment is greatly dependent on the evaporation of chlorinated heavy metals and incorporation of heavy metals in the mineral matrix. They are the scientific basis for heavy metal pollution control or resource reuse during thermal treatment. In this study, the thermochemical reaction characteristics of waste thermal treatment will be used for reference to simulate the key reactants and reaction conditions. By which, the mechanism of heavy metal chlorination and its competition with incorporation into mineral matrixes will be investigated from simple to complicated model reaction systems. Firstly, the reactions between typical Cl donor and single metal oxide, between mineral matrix and heavy metals will be studied under different atmosphere, to discover the mode and thermodynamic properties of the reactions. Then, the reaction affinities of different heavy metals with Cl and the competition among heavy metals, macro metals (alkali and alkali-earth metals), H and so on Cl acceptors, will be discussed. Based on this, a model elucidating the interrelation between chlorination affinity and structure of chlorine donor and heavy metals are expected to be established. By using Cs- scanning transmission electron microscope and synchrotron radiation based micro analysis, in-situ non-destructive determination of heavy metal speciation and structure can be realized. Finally, the competitive reaction mechanism of chlorination and incorporation in matrixes will be demonstrated, under a complicated model system with co-existence of macro metals and heavy metals, Cl donor, mineral matrixes. The results will provide a scientific basis for the pollution control and resource use during waste thermal treatment by controlling heavy metal chlorination and migration.

重金属化合物的氯化挥发和固定于无机矿物基质，是决定固体废物热处理过程中重金属迁移转化的主要机制，对重金属污染控制和资源利用有重要的理论意义。本项目基于复杂组分固体废物热处理过程中的热化学反应特征，模化关键反应物和反应条件，由简到繁探索重金属的氯化反应和基质化固定机理。在不同热处理气氛下，探明废物中典型氯源和重金属氧化物、重金属和矿物基质无交互作用的反应类型与热力学特征；据此，研究重金属和宏量金属共存的多元体系中，重金属、宏量金属、H等Cl接受体之间的竞争性氯化反应机理和交互作用，提出氯源和重金属结构与氯化反应亲和力的关联模型；利用球差矫正扫描投射电镜和同步辐射高能显微光谱分析方法，实现微量重金属分子形态和结构的非破坏性检测，明晰金属、氯源、无机矿物基质共存的复杂热处理体系中，重金属氯化反应和基质化固定反应的竞争作用机理。从而为基于重金属氯化转化迁移的重金属污染控制或回收利用提供科学依据。

重金属化合物的氯化挥发和固定于无机矿物基质，是决定固体废物热处理过程中重金属迁移转化的主要机制，对重金属污染控制和资源利用有重要的理论意义。其中，氯化反应是影响固体废物在热处理过程中重金属分配的关键因素。本项目依据复杂组分固体废物热处理过程中的热化学反应特征，通过模化关键反应物和反应条件，采用典型有机氯化物和无机氯化物，以及重金属主要赋存形态（PbO、CdO、CuO和ZnO），分析了不同热处理气氛条件下，典型有机氯和无机氯与重金属氧化物的热转化反应机理，包括氯化反应的特征性温度、反应途径、产物形态，及温度和气氛对氯化反应过程和产物分配的影响规律；重点针对易氯化挥发且在垃圾焚烧厂污染风险较大的Pb为对象，通过热力学平衡模型计算和管式炉实验，探索了气氛、水蒸汽、S、Na和PVC含量对热处理过程中Pb挥发率及化学形态的影响与竞争机制；分别探究了固体废物中普遍存在的矿物质（SiO2、Al2O3和CaO）对不易挥发的PbO和易挥发的PbCl2基质化固定反应和产物反向氯化反应规律，解析废物中常见矿物质对重金属氧化物和氯化物迁移的抑制效应，在此基础上，研究了矿物质对重金属氯化反应的影响机制；在明确了氯化物或矿物质与重金属氧化物二元体系反应机理的基础上，探索了多元体系中，重金属氯化反应和基质化固定反应的竞争作用机理。并通过模拟和中试试验，探索了固体废物焚烧过程中重金属Pb迁移转化及其对周边土壤的影响，固体废物热处理过程含氯污染物生成释放规律与控制方法。项目发表期刊论文11篇，国际会议论文1篇，授权美国发明专利1项。培养博士研究生2名、硕士研究生4名。