许多固体废物由于含有可浸出重金属而被认定为危险废物，如冶金渣、电镀污泥、制革污泥、焚化炉灰中的城市固体废物。与有机污染物不同，重金属无法被销毁，而是具有无限的持久性。如果这些含重金属的固体废物（SWCHM）得不到妥善处置，就会对空气、土壤和水造成二次污染。

众所周知，受污染的环境因素会对生物个体和种群产生不利影响。

因此，确保安全处置非物质文化遗产是环境保护的一项重要任务。固定化处理是解决非物质文化遗产对环境造成的潜在危害的有效方法。这种技术可以通过改变废物的物理和化学性质来减少重金属的潜在迁移。

在过去几十年中，已经开发出许多固定化方法，例如基于水泥的固化/稳定化（S/S）、基于土工聚合物的S/S、玻璃化、碳化、胶体二氧化硅介质获得安全惰性（COSMOS）等。

上图显示了各种固定化方法的分类。在这些方法中，水泥基材料处理和热处理是两种有吸引力的方法，因为重金属可以被隔离在其致密耐用的废料形式中。这些废料可以为污染物提供一个稳定的环境。其他化学添加剂稳定方法，如碳化法，对重金属几乎没有隔离作用。

如图所示，水泥基材料处理和热治疗始终是各种研究的热点固定化方法。这些方法的固定化机制对于阐明重金属的迁移率下降至关重要。为了进一步提高每种方法的固定化效果，有必要了解其固定化机理。

目前还没有一篇文章对胶凝材料处理和热处理的固定化机理进行专门研究。这些方法的固定机制有许多相似之处。本文旨在详细讨论这些方法的固定机制。

水泥基材料处理方法是将非关键化学物质与水泥基材料混合，使其固化并粘合在一起。混合物硬化后，就形成了具有结构完整性和长期稳定性的整体废物形式。废物被隔离在废物形式中，而废物的质量和体积却增加了。

因此，重金属的沥滤受到抑制，环境风险降低。水泥、碱活性水泥（AAC）和化学结合磷酸盐陶瓷（CBPC）是过去十年中用于处理SWCHM的三种常用粘结剂。

几十年来，水泥基S/S已被广泛用于处理SWCHM。波特兰水泥是这种方法中使用的主要粘结剂，由四种主要的结晶熟料相组成。硅酸盐水泥最早用于核废料S/S领域。

总结了以水泥为基础的固溶材料在研究和实际应用中广受欢迎的原因：(a)不同来源的硅酸盐水泥成分一致。(b)水泥的凝结和硬化过程清晰易懂。

表1列出了波特兰水泥的熟料相以及这些相的水化产物。在固定化过程中，固体废物可能充当胶结物或与水泥成分发生部分反应。由于废物成分会干扰水泥的水化，因此使用水泥基S/S对SWCHM进行固定化处理可能会变得复杂。

据报道，许多固体废物会加速或延缓水泥水化。另据报道，废物中的某些成分（如硫酸盐）会对硬质灌注水泥产生有害影响。金属表面处理作业产生的滤饼中硫酸盐含量较高，会降低废料的机械性能，恶化固定效果。因此，在全面应用之前，仔细设计水泥基S/S的配方非常重要。

AAC被认为是普通波特兰水泥的替代材料，似乎具有更好的耐久性。自20世纪90年代以来，AAC已成为处理有毒废物的一种可能解决方案。碱活性矿渣（AAS）和土工聚合物是AAC的两个系统。事实证明，许多含有硅和铝的材料都可以被碱激活，如高炉矿渣、偏高岭土和F级粉煤灰。这两种系统的区别在于起始材料的成分。

AAS是由碱溶液和富含Ca-Si的材料反应生成的。高炉矿渣是AAS的典型材料。硅酸钙水合物是AAS的主要产物。土聚合物是碱溶液与富含硅和铝的材料反应生成的。土工聚合物具有低渗透性、长期耐久性和抗酸侵蚀性，因此被视为一种潜在的固定系统。

偏高岭土是一种典型的土工聚合物材料。土工聚合的产物是无定形的无机聚合物。简而言之，高炉矿渣碱活化是（Si Ca）体系的一种模式，而土工聚合物则是一种（Si Al）体系。不过，这两种体系也有许多相似之处。高炉渣也可用于合成土工聚合物。因此，这两种体系被归为同一类。

对SWCHM的热处理以高温烧结或熔化SWCHM为基础。之后，废物会转化为环境稳定的废物形式，如玻璃和陶瓷。因此，重金属被分离出来，其浸出受到抑制。烧结是一种将SWCHM加热直至废物转化为致密陶瓷材料的工艺。

该工艺的加热温度为900-1000◦C，低于废物的熔点。该工艺在烧结过程中，废物的化学相会发生*。一般来说，玻璃化是通过将SWCHM与玻璃形成前体混合，加热混合物直至其液化，并在液体冷却后获得无定形均质玻璃来实现的。

玻璃化的加热温度在1000到1500◦C之间。值得注意的是，有些富含二氧化硅和氧化铝的固体废物，如城市固体废物燃烧产生的灰烬，可直接进行玻璃化，而无需添加玻璃成型材料。近年来，利用玻璃废料制造玻璃陶瓷已成为一种趋势。

这是一种安全、经济的废物处理方法。玻璃陶瓷是一种细粒多晶材料，是通过控制基底玻璃的结晶而生产出来的。经证实，玻璃陶瓷可作为一种稳定的废物形式，用于固定化某些SWCHM，如铜浮选废物、城市固体废物焚化炉飞灰、危险酸洗污泥。玻璃化、玻璃化 受控结晶和烧结是三种热处理固定化方法。

生产出的废料具有较高的熔化温度，这意味着大多数元素在环境温度下的扩散系数过低。因此，这些废料通常被认为具有耐腐蚀性。许多研究表明，这些废料确实具有良好的固定效果。这些方法最明显的缺点是加热温度高，处理成本高。

这些方法的加热温度会严重影响其环境和经济可行性。较高的加热温度需要更多的能源（产生更高的CO2排放），这可能会增加耐火材料的消耗。腐蚀处理设施。一般来说，玻璃化的加热温度在1000到1500◦C之间，高于烧结的温度。因此，烧结比玻璃化更经济可行。

上述方法的重金属固定化机制可分为两类：(a)化学稳定化：将重金属转化为溶解度较低的种类或毒性较低的形式；(b)物理封装：将重金属封装成低渗透性的废物形式，使其与环境隔离。一般来说，这两种机制同时发生。区分它们的关键在于尺度：化学稳定作用发生在原子尺度上，而物理封装作用则发生在较长的距离上，例如微米尺度上。

对水泥基S/S的化学稳定机制进行了充分讨论，可归纳为以下两个方面。重金属可能掺入水泥的水化产物中，如C-S-H、乙曲矿和单硫酸盐。重金属可能会与水泥中的其他成分发生反应，形成沉淀物。

单硫酸盐晶体具有板状结构，层间有一个硫酸基团，也可由氧阴离子取代。以及我们发现，氧阴离子取代的单硫酸盐似乎比氧阴离子取代的乙丁睛石对氧阴离子具有更好的固定效果，这主要是因为取代的单硫酸盐可将氧阴离子的溶解度控制在较低水平。重金属与水泥成分反应形成沉淀物是重金属的另一种固定机制。

CBPC的生产基于酸性磷酸盐溶液与碱性氧化物之间的酸碱反应。重金属磷酸盐沉淀是主要的固定机制。磷酸盐溶液可与重金属阳离子反应形成沉淀物。

在热处理过程中，废物的本质变化是高温相变。新相的形成和原相的消失是热处理过程中常见的两种现象。玻璃、陶瓷和玻璃陶瓷是热处理过程中产生的三种废料。玻璃陶瓷包括玻璃相和结晶相。玻璃陶瓷可视为"完全"玻璃和晶体材料之间的中间系统。重金属的相变也发生在热处理过程中。

热处理的化学稳定机制可通过三种方式发生。玻璃化是一项成熟的非遗处理技术。硅酸盐玻璃是最广泛用于非遗文化遗产玻璃化处理的废料形式。玻璃化的一个优点是，大量重金属可通过化学方式融入无机玻璃的无定形网络中。

根据经验氧化物玻璃形成理论，元素在玻璃网络结构中的作用可分为三类：玻璃形成剂、玻璃改性剂和中间体。

孙氏单键强度标准定义了分类标准。氧化物MOx中M-O单键的强度是分类的基础。键强度越高，玻璃成型性越好。

单键强度高于80kcal-mol—1的氧化物被定义为网络形成物。单键强度低于60kcal-mol—1的氧化物被认为是网络改性物，而单键强度在60至80kcal-mol—1之间的氧化物则是中间物。

上表显示了一些重金属的单键强度。因此，重金属更有可能成为玻璃结构中的网络修饰剂或中间体。

然而，关于重金属在玻璃体废料结构中所起作用的研究工作还很少。重金属氧化物在光学和电子玻璃结构中的作用可以给我们一些启发，如二元硅酸铅玻璃、硅酸锌钠玻璃和SiO-PbO-Na2O2三元玻璃。研究表明，铅和锌可作为玻璃中的网络修饰剂或网络形成剂。

锌在SiO-ZnO-Na2O2玻璃中的作用取决于钠的浓度。铅含量是决定铅在氧化铅基玻璃结构中作用的关键参数。在氧化铅含量较低的情况下，铅会起到网络修饰作用发现，当氧化铅含量高于30摩尔%时，铅成为网络前置剂。

在SiO-PbO-Na2O2三元玻璃中，这种氧化铅的转化含量为25摩尔%。他还发现，与氧化铅含量较低的玻璃相比，氧化铅含量为25摩尔%的玻璃在水中具有更好的稳定性。这说明，当铅成为玻璃结构的网络前体时，其稳定性会更高。因此，重金属在玻璃体废料结构中的作用是影响金属稳定性的潜在因素。

此外，许多迹象表明，玻璃在水中的稳定性取决于其成分。由此可以推断，重金属的固定效果取决于废料的成分和结构。然而，关于其他重金属对玻璃的网络结构和稳定性的影响，目前还鲜有研究。

因此，显然需要进一步开展工作，以了解重金属在玻璃体废物结构中的确切固定机制。热处理的另一种固定化机制是重金属可以融入废料的晶体相中。这种结合可能以两种方式发生。一种是重金属取代晶体相结构中的其他元素，形成固溶体。

根据戈尔德施密特关于晶体中元素替代的规则，重金属可以重金属离子可替代具有类似大小和电荷的离子。通过研究了燃烧和凝固过程中重金属（镉、铅和铬）与燃烧灰之间的相互作用。

发现铬在灰中扩散，并取代了莫来石和刚玉中八面体位点的铝。此外，还推断出铅和镉可以占据莫来石中缺氧产生的空位。

通过研究污水污泥和电镀污泥在玻璃陶瓷中的固定化，发现镍、锌和铬融入了（镁、铁、镍、钴、锰和镍）的固溶体中、另一种结合方式是重金属本身可以形成一种新的晶相。一系列含有重金属的晶相已被证明具有良好的固定能力，如NiAl2O4、PbAl2SiO2。

表6总结了已发现的能够吸附重金属的晶相。重金属在尖晶石结构中的固定机理已得到广泛研究。尖晶石相通常可表示为ABO24，其中A和B分别为二价和三价阳离子。由于尖晶石结构中存在阳离子位点，因此这种相能够容纳重金属阳离子。据报道，Zn、Ni或Cu可与富含铝的前驱体发生反应，在高温下形成尖晶石相。

本文综述了水泥材料处理和热处理的固定化机理。对固定化机理的系统分析指出，这些方法的固定化机理有许多相似之处。物理封装和化学稳定可减少重金属的潜在迁移。

废物形式可以为污染物提供一个低渗透性的屏障。当重金属以化学方式融入新形成的含金属相时，就会发生化学稳定化。

重金属可以（a）在废料形式的结构中以原子尺度结合，或（b）与其他成分发生反应，形成新的化合物。新形成的含金属相的稳定性是影响污染物流动性的关键因素。耐酸性更强的重金属负载相具有更好的重金属固定能力。

因此，寻找有效的金属承载相，并在固定化过程中将重金属转化为这些相，应该是提高固定化方法固定化效果的一种可行方法。