城市生活垃圾焚燒飛灰殘留重金屬電動去除強化技術實際應用

文_沈林華 谷孟濤 金亮 中國聯合工程有限公司

1 城市生活垃圾焚燒飛灰物化特性分析

城市生活垃圾焚燒產生的飛灰中含有大量的金屬元素，包括鈣、鎂、鈉、鉀、鋅、銅、鉑、鉻等。同時也含有多種非金屬元素，包括氯、氧等。在飛灰當中，占比最高的金屬元素鈣約占三分之一，與非金屬物質氧結合的一氧化鈣含量高達二分之一，與非金屬物質氧和氯含量的總量達到五分之四。由此可見，飛灰中的金屬殘留物大多數以氧化物和氯化物的形式存在。

我國城市生活垃圾中的廚余垃圾占據一定的比例，而飛灰中主要的氯化鈉以及氯化鉀等物質主要來自于廚余垃圾。與此同時，生活垃圾焚燒煙氣處理過程中噴灑的石灰溶液，也是碳酸鈣產生的主要來源。

2 城市生活垃圾焚燒飛灰殘留重金屬電動去除技術基本原理

電動去除技術是一項復雜的、橫跨多門專業和領域的交叉型、綜合型的技術。涉及到物理和化學中多種細化的專業知識和技能。電動去除技術的應用原理主要是固定住處理對象，并進行雙管直流電壓的輸送，施加到處理對象上，從而使污染物質在形成的外加電場梯度作用下，流向電極兩端進行清潔的過程。

2.1 污染物質的主要遷移機制

最主要的遷移機制是電滲流以及電遷移的遷移機制。利用電動去除技術施加在處理對象上的外加電場作用，使污染物質進行電滲流以及電遷移等機制，遷移到電極的兩端的清潔過程。其中電泳機制作用可以忽略不計。

其中的電滲作用，即電滲流在外加電場的作用下，污染物質會隨著電動去除設備中的電管中的孔隙液體，向電極方向做遷移運動。通常情況下是，管內的電解質溶液在電場的作用下，產生電荷移動，會經過固定住的處理對象，移動方向是從陽極到陰極，直到電力梯度的速度等于電滲流的流速，即處理對象的電勢等于零的狀態下，電滲作用消失，電滲流不再移動。以下是電滲流的概念模型圖1。

圖1 電滲流概念模型圖

在電滲流機制下，飛灰表面帶有的負電荷，會吸引周圍的陽離子，保持處理對象表面的電中性。在電解質溶液經過處理對象時，飛灰加入到水中，飛灰物質會受到液體擴散以及靜電引力的共同趨力，從而形成擴散雙電層，又由于飛灰表面的陽離子進行陽極向陰極遷移運動，產生的動量會引起孔隙溶液的同向流動。

擴散雙電層的厚度與電滲流作用力成正比的關系，與此同時，又受到孔隙溶液、陽離子等物質的約束。在pH一定的條件下，進行移動，當pH偏離一定的條件時，飛灰表面電荷的極性會發生改變，開始從陽極向陰極運動，電滲流也會發生逆流現象。在這個過程中，重金屬元素會發生化學反應，從處理對象中解脫出來，釋放到溶液中，完成電動去除工作。

其中的電遷移作用，即電離子在外加電場的作用下，孔隙液體進行向電極方向的遷移運動。通常情況下，電遷移作用量與電場梯度成正比例關系，與此同時，電遷移作用力度與電場梯度移動速度也成正比例關系。因此即使因為電中性導致電滲流停止移動，也會有電遷移作用來保證污染物質的遷移清潔工作。從而有力的去除重金屬殘留物。

2.2 離子遷移以及水的電解過程

在進行電動技術去除重金屬殘留物質的過程中，應當重視兩極的電解反應。電解出來的氫離子和氫氧離子，兩者的半徑和移動速度均有差異，因此氫離子會首先經過處理對象，改變處理對象表面的pH值，并且與重金屬殘留物進行反應，釋放金屬陽離子，在外電場梯度的作用下，向陰極進行遷移，并在遷移的過程中遇到氫氧離子，完成化學反應，pH值再次改變，生成重金屬沉淀，停止遷移運動，這不利于污染物質的去除工作。因此為了規避兩極的電解帶來的阻礙，可以在處理對象的表面加入絡合劑，這樣即使在遷移過程中，pH值發生驟變。重金屬反應變成的穩定絡合物也不會沉淀，而是繼續做遷移運動。完成飛灰中重金屬殘留物的去除工作。電極附近水的電解過程中產生氫離子和氫氧離子。在電滲流和電遷移過程中，重金屬陽離子形成重金屬沉淀物的過程如圖2所示。

圖2 重金屬陽離子形成重金屬沉淀物的過程

3 城市生活垃圾焚燒飛灰殘留重金屬電動去除強化技術

隨著電動去除技術的普及應用，逐漸從土壤修復拓展到污泥、電子廢物等的修復中。針對電動去除技術的改良和強化有很多方法，基本都是圍繞提升電動去除歷經的三個過程的作業效率和穩定性來提出的。第一個階段是水電解產生H+的過程。第二個階段是重金屬化合物變成重金屬離子的過程。第三個階段是重金屬離子在電場作用下進行電滲流和電遷移，一直到脫離處理對象。針對以上三個階段通常采用的方法有：比如通過使用化學強化劑，規避影響電動去除過程的不良因素；比如升級電極材料，更換成鈦鉑或者不銹鋼作為電極的材料，來增強電動去除的強度：使用離子交換膜，來增加電動去除的穩定性以及強度等。本文主要針對最常規的使用化學強化劑的方法進行探討和研究，使用檸檬酸作為化學強化劑進行電動去除技術的強化。

針對待處理的垃圾物質，能夠使用的絡合物有很多種，基本上大部分金屬以及過度金屬元素都可以擔當絡合物的責任。常規來說，絡合物的穩定性與價格息息相關，價格越貴的金屬，其形成的絡合物穩定性越好。除了考慮金屬元素和過度金屬元素形成的化合物的穩定性之外，還要考慮相應元素的配位體的穩定性。因為絡合物的配位體的穩定性能夠輕易的影響原本是穩定狀態的絡合物。為了徹底的解決pH 聚集效應所帶來的不穩定的影響，常規使用的絡合物應當進行升級和優化，可以改選用檸檬酸，在處理對象表面以及陰極電極區域投放檸檬酸。從化學性質和結構上講，檸檬酸屬于強酸性、無色的晶體物質，易溶于水。

一方面檸檬酸具有3個氫離子。在電場中，氫離子受到飛灰顆粒的吸引，依附在飛灰的表面。它具有極強的活性，因此在電荷發生變化后，發生化學反應時，重金屬離子會被氫離子排擠出來，從此脫離飛灰的表面。重金屬離子呈現出可溶解狀態，有助于電動去除技術更好的操作去除和清潔的工作。

另一方面檸檬酸具有一個羧基，在電場中，羧基會與飛灰中的重金屬陽離子形成絡合物。當pH值發生驟變或者變動幅度較大時，羧基絡合物也不會發生沉淀現象。重金屬殘留物會繼續進行遷移運動。極大程度的降低了pH 聚集效應所帶來去除阻礙。

圖3是加入檸檬酸的電滲流模型圖，加入檸檬酸后的金屬陽離子規避了pH 聚集效應，繼續完成電滲流和電遷移運動的過程如圖4所示。

圖3 增強電動去除實驗裝置示意圖

圖4 繼續完成電滲流和電遷移運動過程

4 結語

城市生活垃圾的成分復雜多樣，因此針對目前垃圾主要的處理方法，即焚燒處理手段來說，并不能完全清理掉垃圾中的有害物質、有毒物質，特別是重金屬殘留物。因為重金屬具備可溶性鹽的特點，會對人們的生活環境、水土的污染以及人們身體的健康和安全造成很大的威脅。焚燒技術不能使重金屬的含量相應的減少，也不能改變重金屬含有的毒性以及有害物質的特性。因此處理飛灰中的重金屬殘留物是至關重要的。