文_沈林华 谷孟涛 金亮 中国联合工程有限公司

1 城市生活垃圾焚烧飞灰物化特性分析

城市生活垃圾焚烧产生的飞灰中含有大量的金属元素，包括钙、镁、钠、钾、锌、铜、铂、铬等。同时也含有多种非金属元素，包括氯、氧等。在飞灰当中，占比最高的金属元素钙约占三分之一，与非金属物质氧结合的一氧化钙含量高达二分之一，与非金属物质氧和氯含量的总量达到五分之四。由此可见，飞灰中的金属残留物大多数以氧化物和氯化物的形式存在。

我国城市生活垃圾中的厨余垃圾占据一定的比例，而飞灰中主要的氯化钠以及氯化钾等物质主要来自于厨余垃圾。与此同时，生活垃圾焚烧烟气处理过程中喷洒的石灰溶液，也是碳酸钙产生的主要来源。

2 城市生活垃圾焚烧飞灰残留重金属电动去除技术基本原理

电动去除技术是一项复杂的、横跨多门专业和领域的交叉型、综合型的技术。涉及到物理和化学中多种细化的专业知识和技能。电动去除技术的应用原理主要是固定住处理对象，并进行双管直流电压的输送，施加到处理对象上，从而使污染物质在形成的外加电场梯度作用下，流向电极两端进行清洁的过程。

2.1 污染物质的主要迁移机制

最主要的迁移机制是电渗流以及电迁移的迁移机制。利用电动去除技术施加在处理对象上的外加电场作用，使污染物质进行电渗流以及电迁移等机制，迁移到电极的两端的清洁过程。其中电泳机制作用可以忽略不计。

其中的电渗作用，即电渗流在外加电场的作用下，污染物质会随着电动去除设备中的电管中的孔隙液体，向电极方向做迁移运动。通常情况下是，管内的电解质溶液在电场的作用下，产生电荷移动，会经过固定住的处理对象，移动方向是从阳极到阴极，直到电力梯度的速度等于电渗流的流速，即处理对象的电势等于零的状态下，电渗作用消失，电渗流不再移动。以下是电渗流的概念模型图1。

图1 电渗流概念模型图

在电渗流机制下，飞灰表面带有的负电荷，会吸引周围的阳离子，保持处理对象表面的电中性。在电解质溶液经过处理对象时，飞灰加入到水中，飞灰物质会受到液体扩散以及静电引力的共同趋力，从而形成扩散双电层，又由于飞灰表面的阳离子进行阳极向阴极迁移运动，产生的动量会引起孔隙溶液的同向流动。

扩散双电层的厚度与电渗流作用力成正比的关系，与此同时，又受到孔隙溶液、阳离子等物质的约束。在pH一定的条件下，进行移动，当pH偏离一定的条件时，飞灰表面电荷的极性会发生改变，开始从阳极向阴极运动，电渗流也会发生逆流现象。在这个过程中，重金属元素会发生化学反应，从处理对象中解脱出来，释放到溶液中，完成电动去除工作。

其中的电迁移作用，即电离子在外加电场的作用下，孔隙液体进行向电极方向的迁移运动。通常情况下，电迁移作用量与电场梯度成正比例关系，与此同时，电迁移作用力度与电场梯度移动速度也成正比例关系。因此即使因为电中性导致电渗流停止移动，也会有电迁移作用来保证污染物质的迁移清洁工作。从而有力的去除重金属残留物。

2.2 离子迁移以及水的电解过程

在进行电动技术去除重金属残留物质的过程中，应当重视两极的电解反应。电解出来的氢离子和氢氧离子，两者的半径和移动速度均有差异，因此氢离子会首先经过处理对象，改变处理对象表面的pH值，并且与重金属残留物进行反应，释放金属阳离子，在外电场梯度的作用下，向阴极进行迁移，并在迁移的过程中遇到氢氧离子，完成化学反应，pH值再次改变，生成重金属沉淀，停止迁移运动，这不利于污染物质的去除工作。因此为了规避两极的电解带来的阻碍，可以在处理对象的表面加入络合剂，这样即使在迁移过程中，pH值发生骤变。重金属反应变成的稳定络合物也不会沉淀，而是继续做迁移运动。完成飞灰中重金属残留物的去除工作。电极附近水的电解过程中产生氢离子和氢氧离子。在电渗流和电迁移过程中，重金属阳离子形成重金属沉淀物的过程如图2所示。

图2 重金属阳离子形成重金属沉淀物的过程

3 城市生活垃圾焚烧飞灰残留重金属电动去除强化技术

随着电动去除技术的普及应用，逐渐从土壤修复拓展到污泥、电子废物等的修复中。针对电动去除技术的改良和强化有很多方法，基本都是围绕提升电动去除历经的三个过程的作业效率和稳定性来提出的。第一个阶段是水电解产生H+的过程。第二个阶段是重金属化合物变成重金属离子的过程。第三个阶段是重金属离子在电场作用下进行电渗流和电迁移，一直到脱离处理对象。针对以上三个阶段通常采用的方法有：比如通过使用化学强化剂，规避影响电动去除过程的不良因素；比如升级电极材料，更换成钛铂或者不锈钢作为电极的材料，来增强电动去除的强度：使用离子交换膜，来增加电动去除的稳定性以及强度等。本文主要针对最常规的使用化学强化剂的方法进行探讨和研究，使用柠檬酸作为化学强化剂进行电动去除技术的强化。

针对待处理的垃圾物质，能够使用的络合物有很多种，基本上大部分金属以及过度金属元素都可以担当络合物的责任。常规来说，络合物的稳定性与价格息息相关，价格越贵的金属，其形成的络合物稳定性越好。除了考虑金属元素和过度金属元素形成的化合物的稳定性之外，还要考虑相应元素的配位体的稳定性。因为络合物的配位体的稳定性能够轻易的影响原本是稳定状态的络合物。为了彻底的解决pH 聚集效应所带来的不稳定的影响，常规使用的络合物应当进行升级和优化，可以改选用柠檬酸，在处理对象表面以及阴极电极区域投放柠檬酸。从化学性质和结构上讲，柠檬酸属于强酸性、无色的晶体物质，易溶于水。

一方面柠檬酸具有3个氢离子。在电场中，氢离子受到飞灰颗粒的吸引，依附在飞灰的表面。它具有极强的活性，因此在电荷发生变化后，发生化学反应时，重金属离子会被氢离子排挤出来，从此脱离飞灰的表面。重金属离子呈现出可溶解状态，有助于电动去除技术更好的操作去除和清洁的工作。

另一方面柠檬酸具有一个羧基，在电场中，羧基会与飞灰中的重金属阳离子形成络合物。当pH值发生骤变或者变动幅度较大时，羧基络合物也不会发生沉淀现象。重金属残留物会继续进行迁移运动。极大程度的降低了pH 聚集效应所带来去除阻碍。

图3是加入柠檬酸的电渗流模型图，加入柠檬酸后的金属阳离子规避了pH 聚集效应，继续完成电渗流和电迁移运动的过程如图4所示。

图3 增强电动去除实验装置示意图

图4 继续完成电渗流和电迁移运动过程

4 结语

城市生活垃圾的成分复杂多样，因此针对目前垃圾主要的处理方法，即焚烧处理手段来说，并不能完全清理掉垃圾中的有害物质、有毒物质，特别是重金属残留物。因为重金属具备可溶性盐的特点，会对人们的生活环境、水土的污染以及人们身体的健康和安全造成很大的威胁。焚烧技术不能使重金属的含量相应的减少，也不能改变重金属含有的毒性以及有害物质的特性。因此处理飞灰中的重金属残留物是至关重要的。