2026年6月12日，徐州工程学院的程浩强与中国矿业大学的桂夏辉等在《Journal of Environmental Chemical Engineering》期刊上发表题为”Flash Joule heating as a novel thermal treatment for heavy metal detoxification from municipal solid waste incineration fly ash”的研究论文。 该研究首次将闪速焦耳热（FJH）技术应用于城市固废焚烧飞灰（MSWI-FA）处理，通过毫秒级超高温脉冲（1000-1900°C）驱动碳热还原反应，同步实现了重金属高效脱除（Zn去除率82.3%、Pb去除率64.1%）、碳黑向闪速石墨烯的高值化转化，以及基体微结构的快速重构，为固废”脱毒-改性-资源回收”提供了超快、绿色的新范式。
研究背景
- 飞灰之困：城市固废焚烧飞灰（MSWI-FA）因富集重金属和可溶性盐，被各国严格列为危险废物。传统水泥固化虽常用，但增容30%-50%，且长期稳定性不足。
- 热处理瓶颈：传统热烧结/玻璃化虽能破坏有机物，但能耗高、处理周期长（1-3小时），且存在挥发性金属二次排放风险。
- 湿法局限：湿法冶金可回收70-90%的Zn等金属，但产生复杂废水，难以实现多金属同步处理。
- 技术呼唤：亟需一种超快、高效、同步实现脱毒与资源回收的颠覆性热处理技术。
研究方法
1. FJH装置与两阶段放电工艺
将飞灰与导电碳黑按4:1混合（CFA），装入石英管中，在多孔铜电极间轻微压实。反应腔抽真空至20 mmHg，通过精确调节放电电压，在1000-1900°C温度梯度下进行FJH处理。FJH过程分为两个阶段：Stage I低压放电降低接触电阻，Stage II高压放电产生主脉冲，实现毫秒级升温
图1：闪蒸焦耳热（FJH）超快合成装置及实时电热参数
2. 多尺度表征手段
采用SEM-EDS、BET（比表面积/孔径分析）、XRD（物相分析）、XPS（化学态分析）和ICP-OES（重金属定量）等多种表征手段，系统追踪了飞灰在超快热冲击下的微观结构演变、元素迁移和化学态转变。
研究结果
1. 微结构从”密实块体”到”海绵状多孔网络”的蜕变
原始飞灰呈致密团聚态，几乎无孔隙。FJH-1600°C处理后，基体转变为高度发达的3D多孔网络结构，形似海绵或珊瑚，微孔和介孔丰富。比表面积从30.74增至64.94 m²/g，孔容从0.095增至0.263 cm³/g。但1900°C时发生烧结和孔塌陷，表明存在最优温度窗口。
2. 闪蒸石墨烯的”瞬间诞生”
XRD和XPS分析证实，FJH过程将无定形碳黑转化为高结晶度的闪速石墨烯。XRD中出现了石墨烯(002)和(101)晶面的尖锐衍射峰；XPS中C 1s的C-C/C-H峰半高宽从1.31 eV收窄至0.96 eV，π-π*卫星峰面积从13.22%增至19.29%，sp²碳网络显著增长。
3. 重金属高效脱除——碳热还原驱动的”金属逃逸通道”
FJH过程通过碳热还原将重金属转化为挥发性物种。Zn去除率在1300°C达峰值82.3%，Pb在1600°C达64.1%，Cd在1900°C达79.6%。低熔点金属（Cd、Pb、Zn）对温度高度敏感，而高沸点金属Cu和Ni则被化学稳定在重构基质中。EDS证实Zn含量从1.17 wt%骤降至0.16 wt%（1600°C）。
4. 从”成本中心”到”利润中心”的经济性跃迁
与传统水泥固化（增容30-50%）和热烧结（1-3小时）相比，FJH处理仅需毫秒级，体积缩减约10%，无二次废水产生。碳黑原料转化为高价值石墨烯，重金属可回收，实现从”纯投入处置”到”资源回收盈利”的模式转变。
展望
- 规模化前景：FJH技术将固废处理从小时级压缩至毫秒级，具备工业化快速吞吐潜力，有望替代传统热处理方式。
- 产物高值化：闪蒸石墨烯在能源存储、水处理吸附等领域具有广阔应用前景，重金属蒸气冷凝回收可进一步实现全元素利用。
- 机理深化：后续研究需建立挥发出的重金属在反应器壁冷凝产物的完整质量平衡，揭示多金属协同迁移规律。
- 拓展应用：FJH脱毒-改性-资源回收的”三位一体”范式可推广至其他危险固废（如赤泥、电子废弃物）的绿色处理。
DOI：10.1016/j.jece.2026.123585
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