《Waste Management》：Deterioration behavior and mechanism of heavy metal leaching inhibition efficiency of MSWI fly ash ? asphalt mastic under ultraviolet irradiation
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飛灰作為瀝青填料在紫外線老化下重金屬浸出行為研究。瀝青顯著提升Zn、Fe浸出穩(wěn)定性達(dá)91%以上，UV老化誘導(dǎo) biphasic 浸出模式，化學(xué)鍵變化與微觀結(jié)構(gòu)演變是關(guān)鍵機(jī)制。
孫曉龍|葉遠(yuǎn)昌|秦曉|劉志生|趙文勝|(zhì)王志民
廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，中國廣州510006
摘要
將城市固體廢物焚燒飛灰（MSWI FA）作為瀝青路面材料的填充劑具有顯著的可行性。然而，瀝青路面持續(xù)暴露在太陽紫外線（UV）輻射下，紫外線引起的老化可能會(huì)改變?yōu)r青膠漿的性質(zhì)，從而影響重金屬的浸出和固定穩(wěn)定性。本研究考察了加速紫外線老化（0、82.6、165.3、248和330小時(shí)；相當(dāng)于0、3、6、9和12個(gè)月的戶外暴露）對(duì)MSWI FA及其瀝青膠漿的影響。結(jié)果表明，紫外線老化顯著增強(qiáng)了瀝青的穩(wěn)定性，總鋅和鐵的浸出量分別減少了91.4%和92.3%。紫外線老化引發(fā)了雙相浸出模式：快速變化階段（0–82.6小時(shí)）隨后是穩(wěn)定階段（82.6–330小時(shí)）。在快速變化階段，Zn、Cd和Mn的浸出量從196.2、13.2和17.1 ppb分別增加到18,473.2、911.6和712.4 ppb，這主要是由于紫外線老化的瀝青、微裂紋的發(fā)展以及暴露面積的增加。相反，F(xiàn)e的浸出量從1533.6 ppb減少到187 ppb，這可能與紫外線驅(qū)動(dòng)的功能團(tuán)演變有關(guān)，促進(jìn)了絡(luò)合和沉淀。值得注意的是，在紫外線老化過程中，膠漿中的Cr浸出量變化很小且統(tǒng)計(jì)上不顯著（<70 ppb），表明其固定效果穩(wěn)定。Cu和Pb的浸出率很低（<1%），且對(duì)紫外線的敏感性可以忽略不計(jì)。此外，羰基和亞砜指數(shù)與浸出行為有很強(qiáng)的相關(guān)性（R2 > 0.95），為評(píng)估重金屬釋放提供了可靠的指標(biāo)。本研究揭示了紫外線老化對(duì)膠漿中固定重金屬的影響機(jī)制，為開發(fā)環(huán)保型瀝青路面提供了理論支持。
引言
由于人口增長和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，全球城市固體廢物量不斷增加，焚燒已成為減少廢物體積和回收能量的關(guān)鍵處理方法（Hassan等人，2024年）。然而，這一過程會(huì)產(chǎn)生城市固體廢物焚燒飛灰（MSWI FA），這是一種含有大量重金屬、二噁英和可溶性鹽的危險(xiǎn)細(xì)顆粒副產(chǎn)品（Sun等人，2023年）。MSWI FA中的重金屬浸出對(duì)環(huán)境構(gòu)成重大風(fēng)險(xiǎn)，因此需要可持續(xù)的處理方案（Wang等人，2024年）。最近的研究表明，瀝青粘合劑能夠有效固定MSWI FA中的重金屬，減輕污染并實(shí)現(xiàn)資源的再利用（Qiu等人，2025年）。例如，在AC-25混合料中用MSWI FA替代2.5%的傳統(tǒng)礦物粉可以提高其耐高溫性能。長期評(píng)估證實(shí)，這種路面的環(huán)境安全性在15年的使用壽命內(nèi)是可靠的，其浸出濃度低于荷蘭標(biāo)準(zhǔn)（Chowdhury等人，2023年）。然而，實(shí)際使用條件會(huì)對(duì)這種路面的性能產(chǎn)生挑戰(zhàn)。除了交通和氧化作用外，路面還面臨濕度、高溫和紫外線（UV）輻射等綜合因素，極端條件（如酸雨、凍融循環(huán)）會(huì)進(jìn)一步增加浸出風(fēng)險(xiǎn)（Xiao等人，2015年）。熱氧化老化和機(jī)械負(fù)荷的結(jié)合會(huì)導(dǎo)致芳烴減少、瀝青質(zhì)和極性基團(tuán)增加，從而導(dǎo)致硬化、脆化，最終引發(fā)裂縫并釋放重金屬（Yang等人，2018年）。重金屬的浸出受pH值、接觸時(shí)間和飛灰粒徑以及金屬形態(tài)的影響（Zhao和Zhu，2019年）。堿性條件（pH > 7）通常有助于通過形成不溶性沉淀物來固定重金屬，但過強(qiáng)的堿性可能會(huì)逆轉(zhuǎn)這一效果（Shu等人，2016年）。Zou等人（2024年）發(fā)現(xiàn)，重金屬的浸出速度與其浸出能力和初始濃度顯著相關(guān)，而浸出率與這些因素?zé)o明顯相關(guān)性。此外，高溫、凍融循環(huán)和紫外線輻射等自然環(huán)境因素也會(huì)影響重金屬的浸出（Nikravan等人，2020年；Sun等人，2025年）。
紫外線輻射老化是瀝青路面使用過程中的關(guān)鍵環(huán)境壓力源，它對(duì)瀝青復(fù)合材料中金屬污染物的釋放機(jī)制有重要影響（Li等人，2024b）。最新研究表明，紫外線暴露會(huì)導(dǎo)致MSWI FA-瀝青膠漿界面發(fā)生顯著的微觀結(jié)構(gòu)變化。這種光降解過程會(huì)破壞復(fù)合材料的防水性能，促進(jìn)潛在有毒金屬物質(zhì)的遷移和釋放。長期老化還會(huì)降低MSWI FA顆粒與瀝青粘合劑之間的粘附力，形成致密的微孔表面結(jié)構(gòu)。這些形態(tài)變化可能會(huì)通過增加環(huán)境暴露加劇內(nèi)部老化過程（Feng等人，2020年）。因此，探索紫外線輻射如何影響MSWI FA-瀝青膠漿的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分對(duì)于開發(fā)環(huán)境安全且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的含廢物路面系統(tǒng)至關(guān)重要。
本研究重點(diǎn)關(guān)注紫外線輻射這一關(guān)鍵自然因素，系統(tǒng)地研究了其對(duì)MSWI FA在瀝青膠漿中固定重金屬效果的影響，填補(bǔ)了現(xiàn)有研究的空白。通過結(jié)合掃描電子顯微鏡（SEM）、傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）和電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）等多尺度表征技術(shù)，本研究建立了紫外線誘導(dǎo)的微觀結(jié)構(gòu)演變、化學(xué)功能團(tuán)變化與重金屬浸出行為之間的緊密關(guān)聯(lián)。這種方法能夠系統(tǒng)量化紫外線老化下固定性能的衰減模式。這些發(fā)現(xiàn)為MSWI FA在路面工程中的安全和高價(jià)值利用提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。
部分摘錄
瀝青粘合劑
70號(hào)基礎(chǔ)瀝青被用作制備膠漿的粘合劑。該基礎(chǔ)瀝青的基本技術(shù)參數(shù)在表1中詳細(xì)列出。
原始MSWI FA
本研究基于從中國廣東省的一家能源回收設(shè)施獲得的原始MSWI FA，根據(jù)“公路工程集料測試規(guī)程”（JTG 3432–2024）對(duì)其粒徑分布和物理性質(zhì)進(jìn)行了評(píng)估。
重金屬元素組成及相對(duì)含量
如圖2a所示，原始和洗滌后的MSWI FA的化學(xué)組成表明，洗滌后的材料主要由鈣（Ca）、氯（Cl）、硫（S）和硅（Si）組成。Ca、Si和鋁（Al）的總含量超過50%，與水泥的晶體結(jié)構(gòu)相似（Clavier等人，2020年）。原始FA中的鈣主要來自脫酸劑，而通過洗滌將氯含量降低到1%以下，以滿足HJ 1134–2020標(biāo)準(zhǔn)。
結(jié)論
- I
將MSWI FA摻入瀝青膠漿中顯著增強(qiáng)了重金屬的化學(xué)穩(wěn)定性。在MSWI FA中，主要重金屬（如Zn、Cd、Pb）以不穩(wěn)定形式存在，其中酸溶性和可還原部分占總量的約70%。在瀝青粘合劑中包裹后，這些重金屬向穩(wěn)定形態(tài)轉(zhuǎn)變：可氧化部分和殘留部分在膠漿中的占比超過80%。這種轉(zhuǎn)變
作者貢獻(xiàn)聲明
孫曉龍：撰寫初稿、進(jìn)行研究、爭取資金、概念構(gòu)思。葉遠(yuǎn)昌：撰寫初稿、進(jìn)行研究、進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。秦曉：撰寫與編輯、監(jiān)督、概念構(gòu)思。劉志生：撰寫與編輯、提供資源、進(jìn)行研究。趙文勝：撰寫與編輯、提供資源、進(jìn)行研究。王志民：撰寫與編輯、提供資源、進(jìn)行研究。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的財(cái)務(wù)利益或個(gè)人關(guān)系可能影響本文的研究結(jié)果。
致謝
本研究得到了廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金（資助編號(hào)：2024A1515012242）、廣東省自然科學(xué)基金-青年促進(jìn)項(xiàng)目（資助編號(hào)：2024A1515030113）以及廣州市基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（青年博士“啟航”項(xiàng)目（資助編號(hào)：2024A04J1276）的支持。我們感謝廣東工業(yè)大學(xué)分析與測試中心在實(shí)驗(yàn)過程中提供的寶貴支持和資源。
