城市生活垃圾焚燒飛灰殘留重金屬電動(dòng)去除強(qiáng)化技術(shù)實(shí)際應(yīng)用

文_沈林華 谷孟濤 金亮 中國(guó)聯(lián)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(chǎn)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(shí)也含有多種非金屬元素，包括氯、氧等。在飛灰當(dāng)中，占比最高的金屬元素鈣約占三分之一，與非金屬物質(zhì)氧結(jié)合的一氧化鈣含量高達(dá)二分之一，與非金屬物質(zhì)氧和氯含量的總量達(dá)到五分之四。由此可見(jiàn)，飛灰中的金屬殘留物大多數(shù)以氧化物和氯化物的形式存在。

我國(guó)城市生活垃圾中的廚余垃圾占據(jù)一定的比例，而飛灰中主要的氯化鈉以及氯化鉀等物質(zhì)主要來(lái)自于廚余垃圾。與此同時(shí)，生活垃圾焚燒煙氣處理過(guò)程中噴灑的石灰溶液，也是碳酸鈣產(chǎn)生的主要來(lái)源。

2 城市生活垃圾焚燒飛灰殘留重金屬電動(dòng)去除技術(shù)基本原理

電動(dòng)去除技術(shù)是一項(xiàng)復(fù)雜的、橫跨多門專業(yè)和領(lǐng)域的交叉型、綜合型的技術(shù)。涉及到物理和化學(xué)中多種細(xì)化的專業(yè)知識(shí)和技能。電動(dòng)去除技術(shù)的應(yīng)用原理主要是固定住處理對(duì)象，并進(jìn)行雙管直流電壓的輸送，施加到處理對(duì)象上，從而使污染物質(zhì)在形成的外加電場(chǎng)梯度作用下，流向電極兩端進(jìn)行清潔的過(guò)程。

2.1 污染物質(zhì)的主要遷移機(jī)制

最主要的遷移機(jī)制是電滲流以及電遷移的遷移機(jī)制。利用電動(dòng)去除技術(shù)施加在處理對(duì)象上的外加電場(chǎng)作用，使污染物質(zhì)進(jìn)行電滲流以及電遷移等機(jī)制，遷移到電極的兩端的清潔過(guò)程。其中電泳機(jī)制作用可以忽略不計(jì)。

其中的電滲作用，即電滲流在外加電場(chǎng)的作用下，污染物質(zhì)會(huì)隨著電動(dòng)去除設(shè)備中的電管中的孔隙液體，向電極方向做遷移運(yùn)動(dòng)。通常情況下是，管內(nèi)的電解質(zhì)溶液在電場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生電荷移動(dòng)，會(huì)經(jīng)過(guò)固定住的處理對(duì)象，移動(dòng)方向是從陽(yáng)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(duì)象的電勢(shì)等于零的狀態(tài)下，電滲作用消失，電滲流不再移動(dòng)。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(jī)制下，飛灰表面帶有的負(fù)電荷，會(huì)吸引周圍的陽(yáng)離子，保持處理對(duì)象表面的電中性。在電解質(zhì)溶液經(jīng)過(guò)處理對(duì)象時(shí)，飛灰加入到水中，飛灰物質(zhì)會(huì)受到液體擴(kuò)散以及靜電引力的共同趨力，從而形成擴(kuò)散雙電層，又由于飛灰表面的陽(yáng)離子進(jìn)行陽(yáng)極向陰極遷移運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的動(dòng)量會(huì)引起孔隙溶液的同向流動(dòng)。

擴(kuò)散雙電層的厚度與電滲流作用力成正比的關(guān)系，與此同時(shí)，又受到孔隙溶液、陽(yáng)離子等物質(zhì)的約束。在pH一定的條件下，進(jìn)行移動(dòng)，當(dāng)pH偏離一定的條件時(shí)，飛灰表面電荷的極性會(huì)發(fā)生改變，開(kāi)始從陽(yáng)極向陰極運(yùn)動(dòng)，電滲流也會(huì)發(fā)生逆流現(xiàn)象。在這個(gè)過(guò)程中，重金屬元素會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從處理對(duì)象中解脫出來(lái)，釋放到溶液中，完成電動(dòng)去除工作。

其中的電遷移作用，即電離子在外加電場(chǎng)的作用下，孔隙液體進(jìn)行向電極方向的遷移運(yùn)動(dòng)。通常情況下，電遷移作用量與電場(chǎng)梯度成正比例關(guān)系，與此同時(shí)，電遷移作用力度與電場(chǎng)梯度移動(dòng)速度也成正比例關(guān)系。因此即使因?yàn)殡娭行詫?dǎo)致電滲流停止移動(dòng)，也會(huì)有電遷移作用來(lái)保證污染物質(zhì)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(guò)程

在進(jìn)行電動(dòng)技術(shù)去除重金屬殘留物質(zhì)的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)重視兩極的電解反應(yīng)。電解出來(lái)的氫離子和氫氧離子，兩者的半徑和移動(dòng)速度均有差異，因此氫離子會(huì)首先經(jīng)過(guò)處理對(duì)象，改變處理對(duì)象表面的pH值，并且與重金屬殘留物進(jìn)行反應(yīng)，釋放金屬陽(yáng)離子，在外電場(chǎng)梯度的作用下，向陰極進(jìn)行遷移，并在遷移的過(guò)程中遇到氫氧離子，完成化學(xué)反應(yīng)，pH值再次改變，生成重金屬沉淀，停止遷移運(yùn)動(dòng)，這不利于污染物質(zhì)的去除工作。因此為了規(guī)避兩極的電解帶來(lái)的阻礙，可以在處理對(duì)象的表面加入絡(luò)合劑，這樣即使在遷移過(guò)程中，pH值發(fā)生驟變。重金屬反應(yīng)變成的穩(wěn)定絡(luò)合物也不會(huì)沉淀，而是繼續(xù)做遷移運(yùn)動(dòng)。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(guò)程中產(chǎn)生氫離子和氫氧離子。在電滲流和電遷移過(guò)程中，重金屬陽(yáng)離子形成重金屬沉淀物的過(guò)程如圖2所示。

圖2 重金屬陽(yáng)離子形成重金屬沉淀物的過(guò)程

3 城市生活垃圾焚燒飛灰殘留重金屬電動(dòng)去除強(qiáng)化技術(shù)

隨著電動(dòng)去除技術(shù)的普及應(yīng)用，逐漸從土壤修復(fù)拓展到污泥、電子廢物等的修復(fù)中。針對(duì)電動(dòng)去除技術(shù)的改良和強(qiáng)化有很多方法，基本都是圍繞提升電動(dòng)去除歷經(jīng)的三個(gè)過(guò)程的作業(yè)效率和穩(wěn)定性來(lái)提出的。第一個(gè)階段是水電解產(chǎn)生H+的過(guò)程。第二個(gè)階段是重金屬化合物變成重金屬離子的過(guò)程。第三個(gè)階段是重金屬離子在電場(chǎng)作用下進(jìn)行電滲流和電遷移，一直到脫離處理對(duì)象。針對(duì)以上三個(gè)階段通常采用的方法有：比如通過(guò)使用化學(xué)強(qiáng)化劑，規(guī)避影響電動(dòng)去除過(guò)程的不良因素；比如升級(jí)電極材料，更換成鈦鉑或者不銹鋼作為電極的材料，來(lái)增強(qiáng)電動(dòng)去除的強(qiáng)度：使用離子交換膜，來(lái)增加電動(dòng)去除的穩(wěn)定性以及強(qiáng)度等。本文主要針對(duì)最常規(guī)的使用化學(xué)強(qiáng)化劑的方法進(jìn)行探討和研究，使用檸檬酸作為化學(xué)強(qiáng)化劑進(jìn)行電動(dòng)去除技術(shù)的強(qiáng)化。

針對(duì)待處理的垃圾物質(zhì)，能夠使用的絡(luò)合物有很多種，基本上大部分金屬以及過(guò)度金屬元素都可以擔(dān)當(dāng)絡(luò)合物的責(zé)任。常規(guī)來(lái)說(shuō)，絡(luò)合物的穩(wěn)定性與價(jià)格息息相關(guān)，價(jià)格越貴的金屬，其形成的絡(luò)合物穩(wěn)定性越好。除了考慮金屬元素和過(guò)度金屬元素形成的化合物的穩(wěn)定性之外，還要考慮相應(yīng)元素的配位體的穩(wěn)定性。因?yàn)榻j(luò)合物的配位體的穩(wěn)定性能夠輕易的影響原本是穩(wěn)定狀態(tài)的絡(luò)合物。為了徹底的解決pH 聚集效應(yīng)所帶來(lái)的不穩(wěn)定的影響，常規(guī)使用的絡(luò)合物應(yīng)當(dāng)進(jìn)行升級(jí)和優(yōu)化，可以改選用檸檬酸，在處理對(duì)象表面以及陰極電極區(qū)域投放檸檬酸。從化學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)上講，檸檬酸屬于強(qiáng)酸性、無(wú)色的晶體物質(zhì)，易溶于水。

一方面檸檬酸具有3個(gè)氫離子。在電場(chǎng)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(qiáng)的活性，因此在電荷發(fā)生變化后，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，重金屬離子會(huì)被氫離子排擠出來(lái)，從此脫離飛灰的表面。重金屬離子呈現(xiàn)出可溶解狀態(tài)，有助于電動(dòng)去除技術(shù)更好的操作去除和清潔的工作。

另一方面檸檬酸具有一個(gè)羧基，在電場(chǎng)中，羧基會(huì)與飛灰中的重金屬陽(yáng)離子形成絡(luò)合物。當(dāng)pH值發(fā)生驟變或者變動(dòng)幅度較大時(shí)，羧基絡(luò)合物也不會(huì)發(fā)生沉淀現(xiàn)象。重金屬殘留物會(huì)繼續(xù)進(jìn)行遷移運(yùn)動(dòng)。極大程度的降低了pH 聚集效應(yīng)所帶來(lái)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(yáng)離子規(guī)避了pH 聚集效應(yīng)，繼續(xù)完成電滲流和電遷移運(yùn)動(dòng)的過(guò)程如圖4所示。

圖3 增強(qiáng)電動(dòng)去除實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖4 繼續(xù)完成電滲流和電遷移運(yùn)動(dòng)過(guò)程

4 結(jié)語(yǔ)

城市生活垃圾的成分復(fù)雜多樣，因此針對(duì)目前垃圾主要的處理方法，即焚燒處理手段來(lái)說(shuō)，并不能完全清理掉垃圾中的有害物質(zhì)、有毒物質(zhì)，特別是重金屬殘留物。因?yàn)橹亟饘倬邆淇扇苄喳}的特點(diǎn)，會(huì)對(duì)人們的生活環(huán)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(shù)不能使重金屬的含量相應(yīng)的減少，也不能改變重金屬含有的毒性以及有害物質(zhì)的特性。因此處理飛灰中的重金屬殘留物是至關(guān)重要的。