针对城市固体废物焚烧产生的飞灰中的有害物质，南京师范大学提出了利用超快碳热法处理飞灰的创新方法。这种方法在短短0.03秒内高温净化飞灰，去除重金属和二恶英，具备高效率、低能耗的显著优势。该研究不仅在净化方面取得突破，还为飞灰中的资源回收提供了全新方案。
城市固体废物焚烧飞灰（MSWI FA）作为焚烧过程的副产物，含有重金属和二恶英等有害物质，对生态环境和人类健康存在巨大威胁。飞灰主要处理方式为填埋或水泥窑协同处理，但这些方式存在长期稳定性不足和二次污染风险。因此，找到安全、高效、经济的MSWI FA处理方法已成为迫切需求。
2024年10月，南京师范大学王昕晔副教授联合光大环保技术装备（常州）有限公司在《Science Advances》上发表了一篇题为“Generation of high-density nanoparticles in the carbothermal shock method”的研究论文，提出了超快碳热处理方法。此方法在0.03秒内将飞灰加热至3600°C，迅速去除其中的重金属和二恶英，实现飞灰的高效净化，并回收Zn、Pb、Cu等有价元素。
1. 超快速高温处理
利用闪蒸焦耳加热技术在0.03秒内将飞灰加热至3600°C，不仅极大地缩短了处理时间，还有效去除有害物质。
2. 有害物质净化效率高
该方法能够去除飞灰中99.91%的二恶英，同时一次处理即可去除50-53%的重金属，通过多次循环加热，某些重金属的去除率可达70%以上。
3. 资源回收价值
从飞灰中回收Zn、Pb、Cu、Ti等有价金属，且含量远超最低工业品位，为资源化回收带来更高经济价值。
4. 降低氯含量，简化后处理
此方法有效去除飞灰中的氯含量，降低后续洗涤处理难度，使飞灰净化过程更加简洁。
5. 能耗大幅降低，适合工业化应用
与传统方法相比，超快碳热法的能耗降低至1/110，且所需设备体积减小至1/1920，更具工业化应用前景。
处理流程图
图 1：展示了超快碳热法处理 MSWI FA 的整体流程。首先，将飞灰与碳黑混合，然后利用闪蒸焦耳加热技术将混合物加热至高温，实现重金属和二恶英的去除，并从挥发性物质中回收有价值元素。随后，将残留物进行洗涤，去除氯元素，最终实现 MSWI FA 的无害化处理和资源化利用。
实验特性图
图 2：展示了超快碳热过程中放电和加热的特性。图 2a 展示了典型的放电和加热曲线，其中包含充电、放电和冷却阶段。图 2b 展示了残留物的 SEM 图像，表明超快碳热过程中飞灰并未完全熔融，只是表面轻微熔化。图 2c 展示了不同初始电压下飞灰的最大加热温度，表明 120V 是最佳初始电压，能够实现较高的加热温度。图 2d 展示了不同飞灰/碳黑质量比下飞灰的加热曲线，表明飞灰/碳黑质量比为 2:1 时，飞灰能够获得更高的加热温度。
图 3: 解释了选择初始电压和最佳飞灰/碳黑质量比的原因。图 3a 展示了飞灰/碳黑混合物在加热过程中累积热量随时间的变化，表明理论最佳电阻值随时间线性增加，并与电压无关。图 3b 和 3c 分别展示了不同初始电压下飞灰/碳黑混合物的实际电阻变化，表明飞灰/碳黑质量比为 2:1 时，实际电阻更接近理论最佳电阻值，因此能够获得更高的加热温度。实际电阻随时间的变化是由于样品中碳颗粒的接触电阻变化导致的，而飞灰/碳黑质量比为 2:1 时，碳颗粒的接触更紧密，因此实际电阻更接近理论最佳电阻值。
重金属去除效果
图 4: 展示了超快碳热法对飞灰净化的效果。图 4a 和 4b 展示了不同初始电压下重金属去除效率的变化，表明 120V 是最佳初始电压，能够实现较高的去除效率。图 4c 和 4d 展示了多次超快碳热处理后重金属去除效率的变化，表明随着加热次数的增加，重金属去除效率逐渐提高，但第四次加热后去除效率不再增加。这是因为随着加热次数的增加，样品中碳颗粒的接触电阻逐渐减小，导致加热温度逐渐降低。图 4e 展示了超快碳热法对飞灰浸出毒性的影响，表明经过一次超快碳热处理后，飞灰的浸出毒性显著降低，达到了国家标准。图 4f 展示了超快碳热法对二恶英的去除效果，表明经过一次超快碳热处理后，二恶英去除率达到 99.91%，有效解决了 MSWI FA 中的二恶英污染问题。
图 5: 展示了超快碳热法对有价值元素提取的效果。图 5a 展示了从挥发性物质中回收的微颗粒，表明有价值元素主要以微颗粒形式存在。图 5b 和 5c 展示了不同初始电压下重金属回收效率的变化，表明 120V 是最佳初始电压，能够实现较高的回收效率。图 5d 展示了多次超快碳热处理后重金属回收效率的变化，表明随着加热次数的增加，重金属回收效率逐渐提高。图 5e 和 5f 展示了挥发性物质中 Zn、Pb、Ti 和 Cu 的浓度，表明这些元素浓度远高于最低工业品位，具有很高的回收价值。
氯去除机制分析
图 6: 分析了 Zn 和 Pb 的迁移和转化机制。图 6a 和 6c 展示了 Pb 在残留物中的存在形态，表明 Pb 主要以 PbS 和 Pb 的形式存在。图 6b 展示了 Pb 的熔点和沸点，表明 PbS 和 Pb 的沸点远高于 PbCl2，因此更容易挥发。图 6d 展示了 Zn 在挥发性物质中的存在形态，表明 Zn 主要以 ZnS、Zn、ZnCl2 和Zn5(CO3)2(OH)6 的形式存在。ZnCl2 在加热过程中直接挥发，而 ZnO 则通过碳热还原和硫化反应转化为 Zn 和 ZnS，从而促进了 Zn 的挥发。
图 7: 展示了超快碳热法对飞灰洗涤过程中氯去除的促进作用。图 7a 展示了直接洗涤和经过超快碳热法处理后洗涤对氯去除效果的影响，表明超快碳热法能够显著降低飞灰中的氯含量。图 7b 展示了飞灰洗涤滤液中的金属元素含量，表明经过超快碳热法处理后，飞灰洗涤滤液中重金属含量极低，而 Na 和 K 的含量没有明显变化。这意味着超快碳热法能够有效地将氯元素从飞灰中去除，而不会对其他金属元素造成影响。
图 8: 解释了超快碳热法促进氯去除的机制。图 8a 展示了飞灰的主要成分，表明 CaClOH 是飞灰中氯的主要存在形式。图 8b 展示了超快碳热法处理后 CaClOH 的分解反应，表明 CaClOH 在高温下分解为水溶性的 CaCl2 和 CaO，从而促进了氯的去除。由于 CaClOH 的溶解度较低，因此直接洗涤难以将其完全去除。而超快碳热法能够将 CaClOH 分解为 CaCl2 和 CaO，后者更容易溶解于水，因此能够有效地促进氯的去除。
本研究提出的超快碳热处理技术为MSWI飞灰的无害化处理和资源回收开辟了新途径。闪蒸焦耳加热技术实现了极短时间内的高温处理，成功去除了飞灰中的大部分重金属和二恶英，同时高效回收了高浓度的Zn、Pb、Cu和Ti等有价值元素，展现出低能耗、设备小型化的工业应用优势。
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