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2020年,我国垃圾焚烧飞灰(简称飞灰)量1000万吨。飞灰因含二噁英和重金属被列为危险固废(HW18),其填埋法和水泥固化法存在环境污染风险,熔融固化法无法资源化利用,亟需研发飞灰无害化处置和资源化利用。本文基于重金属为形核剂、硅氧四面体为玻璃网络结构原理,以飞灰协同处置不锈钢酸洗污泥,采用熔融法制备微晶玻璃,阐明了微晶玻璃的同温核化-晶化机理,揭示了重金属和氯盐的迁移、转化和固化规律,描述了飞灰微晶玻璃的核化、晶化过程,开发了一步法热处理工艺,主要结论如下:(1)阐明了同温核化-晶化机理,实现了一步法制备微晶玻璃技术。不锈钢酸洗污泥中Fe2O3、CaF2和Cr2O3可作为微晶玻璃的形核剂,Cr2O3提供的自由氧和CaF2中F-替代O2-导致玻璃网络Si-O键断裂,产生非桥氧,降低玻璃的稳定性,增强晶化能力。当不锈钢酸洗污泥添加为22 wt.%时,基础玻璃晶化温度Tp和玻璃化温度Tg接近(ΔT(Tp-Tg)<177℃),玻璃稳定性较差,Avrami指数为3.5,形核活化能为264.29 kJ/mol,析晶机制为整体析晶-晶核呈三维生长,核化和晶化在同一温度进行,实现一步法制备微晶玻璃。(2)阐明了微晶和玻璃相协同固化重金属机理。微晶玻璃中的重金属形成稳定的微晶相或被玻璃相物理包覆。Cr和Ni主要以尖晶石NiCr2O4和Fe0.99Ni0.01Fe1.97Cr0.03O4存在,少量Cr固溶于透辉石相中;Pb、Zn、Cu主要以物理包覆形式均匀分布于玻璃基体中。重金属固化效果与结晶度呈正相关,随着结晶度的增加,重金属由不稳定的酸可提取态、还原态和氧化态向稳定的残渣态转变,微晶玻璃的重金属固化效果增强。(3)揭示了氯在微晶玻璃中固溶固化机理。部分氯在飞灰制备玻璃升温过程中挥发,残余氯以固溶体的形式固化于玻璃相和硅酸钙氯石相中,弥散分布于微晶玻璃,表现出良好的稳定性。(4)研发了飞灰协同酸洗污泥和废玻璃一步法制备微晶玻璃技术。40 wt.%飞灰、22 wt.%不锈钢酸洗污泥和38 wt.%废玻璃在1400℃下熔融3h得到的基础玻璃,然后800℃下热处理30 min,获得了主晶相为透辉石相的微晶玻璃,其硬度和抗弯强度分别为13.11 GPa和135.84 MPa,耐酸碱性分别为98.65%和99.88%,重金属(Pb、Cr、Ni、Zn、Cu)的TCLP浸出浓度分别为0.15、0.20、0.12、0.01、0.11 mg/L,远低于US EPA TCLP规定阙值,综合性能指标满足工业微晶玻璃板材(JC/T 2097-2011)的要求。(5)通过成分调配工艺,研究了飞灰在微晶玻璃中的最大消纳量。研究表明其上限为50 wt.%,50 wt.%飞灰、28 wt.%废玻璃和22 wt.%不锈钢酸洗污泥,制备的微晶玻璃的密度为3.13 g/cm3,吸水率为0.07%、硬度为7.97 GPa,抗弯强度为114.86MPa,耐酸性和耐碱性分别为99.29%和99.79%。Cr、Cu、Ni、Pb、Zn 的 TCLP 浸出浓度分别为 0.12、0.1、<0.01、<0.01 和 2.56 mg/L,远低于US EPA TCLP规定阙值,HJ557-2010重金属浸出浓度低于综合废水排放标准(GB8978-2017)规定阙值。氯在微晶玻璃中具有良好的稳定性,当浸出液pH为3、6、10、13时,氯的浸出浓度为0,当pH为1时,氯的浸出浓度为0.1 mg/L。总之,制备的微晶玻璃综合性能指标满足工业微晶玻璃板材(JC/T2097-2011)的要求。本研究为飞灰无害化处置资源化提供全新的思路,不仅避免环境污染,而且将其制备成无毒、高值的微晶玻璃。