《Journal of Environmental Management》：Thallium flows and predominantly exchangeable occurrence in steelwork: New insights from dry flue gas desulfurization process
编辑推荐：
铊污染在干法脱硫钢厂中的行为与风险分析，通过物质流分析揭示铊输入来源以煤（21.15%）和循环烧结头尘（40.62%）为主，输出途径为粉尘（37.01%）和废气（14.34%），发现固体副产物中铊以高活性可交换态（>50%）存在，显著增加生态风险，提出源头控制和末端治理协同减排策略。
作者：涂书辰、黄慧、郝天阳、匡玲辉、周成宇、高成康、赵伟、陈涛、严波
华南师范大学环境学院，化学污染与环境安全广东省重点实验室，环境理论化学教育部重点实验室，中国广州，510006
摘要
铊（Tl）污染对环境构成严重威胁，钢铁行业是主要的污染源之一。然而，快速普及的干法烟气脱硫（FGD）工艺下铊的行为和归趋仍不甚明了。本研究首次对采用干法FGD的完整规模钢铁厂中的铊进行了全面的物质流分析（SFA）。通过现场采样、化学分析、SFA和热力学模拟，我们建立了完整的铊流动网络，并阐明了其相变机制。结果显示，每吨粗钢的铊输入/输出通量分别为3325.50毫克和3295.11毫克。值得注意的是，焦炭是主要的输入来源（21.15%），其次是循环烧结头粉尘（40.62%）。更关键的是，顺序提取实验表明，干法FGD副产物（如粉尘）中的铊主要以高迁移性和生物可利用性的交换性形式存在（>50%），这意味着其浸出和生态风险远高于先前认识。主要的输出途径是粉尘（37.01%）和废气（14.34%）。基于这些发现，我们评估了通过源头控制（如原料选择）和末端处理策略减少排放的潜力。本研究揭示了干法FGD钢铁厂中铊的独特影响因素和增强的环境风险，为有针对性的污染控制和可持续废物管理提供了重要见解。
引言
铊（Tl）是一种稀有、高毒性的元素，具有亲硫和亲石特性，在全球范围内对环境构成严重且日益增长的威胁（Liu等人，2016年，2022年）。其离子在环境中具有高迁移性，在矿物中具有显著的化学稳定性，这使得去除变得困难（Peter和Viraraghavan，2005年）。值得注意的是，铊的毒性超过了镉（Cd）、铅（Pb）和汞（Hg），加剧了生态问题（Jiang等人，2022年；Campanella等人，2019年；Voegelin等人，2015年）。工业活动中的铊释放，尤其是来自每年生产数十亿吨钢铁的大规模钢铁行业，是一个主要问题（Wang等人，2021年）。在典型的钢铁制造过程（如烧结和高炉炼铁）中，当温度超过700°C时，大约75%的铊会从原料中挥发到烟气中（Li等人，2024a）。这种热气流成为铊进入下游污染控制系统的关键载体。最近的物质流分析（SFA）研究开始量化传统钢铁生产过程中的铊通量和路径（Li等人，2024b；Wen等人，2023年）。
然而，现有的理解主要基于湿法烟气脱硫（FGD）系统，忽略了这一关键的技术变革。为了实现更环保的生产，钢铁行业越来越多地采用干法FGD工艺，该工艺消除了废水，产生了干固体副产物（如粉尘和灰烬），并且由于高效性和副产物可回收性等优点，被认为是可持续升级的基石（Cui等人，2021年；Zhang等人，2018年；Meng等人，2023年；Yang等人，2019年）。从湿法洗涤到干法吸附的这一根本转变从根本上改变了像铊这样的挥发性重金属的迁移路径和最终归宿。至关重要的是，这种新兴干法FGD背景下铊的行为、形态及其相应的环境风险尚未得到充分研究。这种知识的缺乏严重阻碍了干法FGD系统的安全可持续运行。显然，关于前端污染预防和控制的研究已成为解决铊污染问题的关键（Chen等人，2013年；Li等人，2023年），这需要明确钢铁过程中铊的来源、分布和流动，以便更好地理解其传输路径和影响范围（Zhu等人，2019年；Xu等人，2019年）。
关于迅速发展的干法脱硫系统，目前仍缺乏对干法过程中铊物质流动的全面描述，其关键污染源可能与传统理解不同。更重要的是，干法过程中产生的典型固体副产物（如粉尘）中铊的具体存在形式、生物可利用性和相应的环境迁移风险尚不清楚（Li等人，2026年）。这些关键信息的缺失严重阻碍了针对干法脱硫过程的科学合理且有效的铊污染控制策略的发展。
这些研究表明，在主要采用湿法烟气脱硫（FGD）的系统中，铊通常富集在脱硫废水中，去除铊后仍存在含铊的粉尘和污泥的二次污染（Pan等人，2014年），其中铁矿石经常被确定为主要输入来源（Li等人，2024a）。因此，本研究旨在通过对采用干法FGD的典型钢铁厂进行综合调查来填补这些空白。我们进行了全面的SFA以构建精确的铊流动网络，使用顺序提取方法确定关键固体废物中的铊形态，并利用热力学模拟阐明相变机制。我们的工作首次系统地分析了干法FGD钢铁生产过程中铊的过程、流动、形态和风险，为有效控制铊的技术设计、行业标准制定以及干法脱硫副产物的环境风险评估提供了必要的数据和方法支持。因此，本研究在铊污染管理的理论研究和实际应用之间架起了桥梁。
研究地点和样品收集
本研究在中国一家采用干法烟气脱硫（FGD）系统的完整规模钢铁厂进行。为了建立全面的铊质量平衡，系统地从四个主要生产单元收集了样品：烧结、高炉炼铁、球团化和焦化。共收集了15个代表性样品（每个2公斤），涵盖了所有主要物料流：原材料（铁矿石粉、焦炭、石灰石、白云石）、燃料、中间产品和最终产品
铊的存在形式
铊的化学形态从根本上决定了其环境归趋和风险。顺序提取结果（图2）显示，在干法FGD系统中，铊的形态从原材料完全转变为工艺副产物。虽然铁矿石粉等原材料中的铊主要以稳定的残留形式存在（55.35%），但在干法工艺的固体副产物中观察到了显著的变化。特别是，在关键的烧结副产物——烧结头粉尘中
结论
本研究首次对采用干法烟气脱硫（FGD）工艺的完整规模钢铁厂中的铊进行了全面的物质流和形态分析，揭示了与传统湿法FGD系统相比，铊的行为和风险存在根本差异。
建立的铊流动网络确定了干法FGD工厂的独特污染源结构。与传统上关注铁矿石不同，焦炭被证明是主要且可管理的输入来源
作者贡献声明
涂书辰：概念化。黄慧：写作——审阅与编辑、初稿撰写、方法论、数据管理。郝天阳：调查、概念化。匡玲辉：数据管理。周成宇：数据管理。高成康：监督。赵伟：资源协调。陈涛：资源协调。严波：概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家重点研发计划（2023YFC3706400）和中国国家自然科学基金（编号42230717、42207536）的支持。
