Carbon reclamation from biogas plant flue gas for immobilizing lead and neutralizing alkalis in municipal solid waste incineration fly ash

Fig. 8. SEM image of FA before and after the carbonation. (a) Carbonation time 0 h; (b) Carbonation time 1 h; (c) Carbonation time 4.5 h.
Table 3 
Statistics data of conversion rate and CO
2 
capture capacity during the carbon-
ation process.
Evaluation object 
Carbonation time (h)
0 
0.5 
1 
3 
4.5 
δ
CO2 
(%)
9.7
24.3 25.1 26.7 27.3 
δ
CaO 
(%)
29.4
73.6 76.1 81.0 88.6 
Theoretical CO
2 
capture capacity 
(gCO
2
/g)
0.24
–
–
–
0.11
Z. Zhu et al.

---

Chemical Engineering Journal 435 (2022) 134812
9
[6] Ministry of Environmental Protection of the People’s Republic of China. Standard 
for pollution control on the hazardous waste landfill. (GB 18598-2019). Beijing, 
China, 2019. 
[7]
Z. Zhu, Y. Guo, Y. Zhao, T. Zhou, A novel waste-recycled chelating agent for the 
stabilization of lead in municipal solid waste incineration fly ash: Preparation, 
feasibility, and mechanism analysis, J. Hazard. Mater. (2021) 127914
. 
[8]
Z. Zhu, Y. Guo, Y. Zhao, W. Chen, J. Wu, Y. Hua, Stabilization of Pb and 
characteristic agents in municipal solid waste incineration fly ash, Chin. Environ. 
Sci. 41 (2021) 2737–2743
. 
[9]
J.G. Roessler, W.N. Oehmig, N.I. Blaisi, T.G. Townsend, Chemical characterization 
of high-temperature arc gasification slag with a focus on element release in the 
environment, Environ. Sci. Technol. 48 (14) (2014) 7781–7788
. 
[10]
W. Wang, X. Gao, T. Li, S. Cheng, H. Yang, Y.u. Qiao, Stabilization of heavy metals 
in fly ashes from municipal solid waste incineration via wet milling, Fuel 216 
(2018) 153–159
. 
[11]
Z. Zhu, W. Chen, Y. Hua, H. Zhang, Y. Zhao, Y. Guo, S. Dai, Research progress and 
consideration on medicament stabilization of heavy metals in waste incineration 
fly ash, Chem. Ind. Eng. Prog. 40 (2021) 6358–6368
. 
[12]
M.C. Goncalves, J. Simunek, T.B. Ramos, J.C. Martins, M.J. Neves, F.P. Pires, 
Multicomponent solute transport in soil lysimeters irrigated with waters of 
different quality, Water Resour. Res. 42 (2006) W08401
. 
[13]
Z. Wang, W. Tan, D. Yang, K. Zhang, L. Zhao, Z. Xie, T. Xu, Y. Zhao, X. Wang, 
X. Pan, D. Zhang, Mitigation of soil salinization and alkalization by bacterium- 
induced inhibition of evaporation and salt crystallization, Sci. Total Environ. 755 
(2021) 142511
. 
[14]
Y. Hu, P. Zhang, J. Li, D. Chen, Stabilization and separation of heavy metals in 
incineration fly ash during the hydrothermal treatment process, J. Hazar. Mater. 
299 (2015) 149–157
. 
[15]
P. Ndiba, L. Axe, T. Boonfueng, Heavy metal immobilization through phosphate 
and thermal treatment of dredged sediments, Environ. Sci. Technol. 42 (3) (2008) 
920–926
. 
[16]
F.-H. Wang, F. Zhang, Y.-J. Chen, J. Gao, B. Zhao, A comparative study on the 
heavy metal solidification/stabilization performance of four chemical solidifying 
agents in municipal solid waste incineration fly ash, J. Hazard. Mater. 300 (2015) 
451–458
. 
[17]
A. Assi, F. Bilo, A. Zanoletti, J. Ponti, A. Valsesia, R. La Spina, A. Zacco, 
E. Bontempi, Zero-waste approach in municipal solid waste incineration: Reuse of 
bottom ash to stabilize fly ash, J. Clean. Prod. 245 (2020) 118779
. 
[18]
R. Li, B. Zhang, Y. Wang, Y. Zhao, F. Li, Leaching potential of stabilized fly ash 
from the incineration of municipal solid waste with a new polymer, J. Environ. 
Manage. 232 (2019) 286–294
. 
[19]
Y. Ju, K. Zhang, T. Yang, D. Deng, J. Qiao, P.u. Wang, Y. You, L. Du, G. Chen, 
D. Kołody´nska, D.D. Dionysiou, The influence of a washing pretreatment 
containing phosphate anions on single-mode microwave-based detoxification of fly 
ash from municipal solid waste incinerators, Chem. Eng. J. 387 (2020) 124053
. 
[20]
F.u. Chen, X. Li, J. Ma, J. Qu, Y. Yang, S. Zhang, Remediation of soil co- 
contaminated with decabromodiphenyl ether (BDE-209) and copper by enhanced 
electrokinetics-persulfate process, J. Hazard. Mater. 369 (2019) 448–455
. 
[21]
M. Zhou, X. Liu, Q. Meng, X. Zeng, J. Zhang, D. Li, J. Wang, W. Du, X. Ma, 
Additional application of aluminum sulfate with different fertilizers ameliorates 
saline-sodic soil of Songnen Plain in Northeast China, J. Soils Sediments 19 (10) 
(2019) 3521–3533
. 
[22]
W. Zhang, W. Zhang, S. Wang, Y. Li, Y. Zhao, Effect of flue gas desulphurization 
gypsum on colloidal flocculation in sodic soil, Soils 53 (2021) 555–562
. 
[23]
V.O. Subardja, R. Anas, R. Widyastuti, Utilization of organic fertilizer to increase 
paddy growth and productivity using System of Rice Intensification (SRI) method 
in saline soil, J. Degrad. Min. Land. Manage. 3 (2016) 543–549
. 
[24] J. Sun, M.F. Bertos, S.J.R. Simons, Kinetic study of accelerated carbonation of 
municipal solid waste incinerator air pollution control residues for sequestration of 
flue gas CO
2
, Energy Environ. Sci. 1 (3) (2008) 370, 
https://doi.org/10.1039/ 
b804165m
. 
[25]
T. Sicong, J. Jianguo, Z. Chang, Influence of flue gas SO
2 
on the toxicity of heavy 
metals in municipal solid waste incinerator fly ash after accelerated carbonation 
stabilization, J. Hazard. Mater. 192 (3) (2011) 1609–1615
. 
[26]
L. Wang, Y. Jin, Y. Nie, Investigation of accelerated and natural carbonation of 
MSWI fly ash with a high content of Ca, J. Hazard. Mater. 174 (1-3) (2010) 
334–343
. 
[27] Q. Gu, T. Wang, W. Wu, D. Wang, B. Jin, Influence of pretreatments on accelerated 
dry carbonation of MSWI fly ash under medium temperatures, Chem. Eng. J. 414 
(2021) 128756, 
https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.128756
. 
[28]
G. Cappai, S. Cara, A. Muntoni, M. Piredda, Application of accelerated carbonation 
on MSW combustion APC residues for metal immobilization and CO
2 
sequestration, 
J. Hazard. Mater. 207-208 (2012) 159–164
. 
[29]
J.-G. Jiang, X.-J. Du, M.-Z. Chen, C. Zhang, Continuous CO
2 
capture and MSWI fly 
ash stabilization, utilizing novel dynamic equipment, Environ. Pollut. 157 (11) 
(2009) 2933–2938
. 
[30]
P. Ren, T. Ling, K. Mo, CO
2 
pretreatment of municipal solid waste incineration fly 
ash and its feasible use as supplementary cementitious material, J. Hazard. Mater. 
424 (2021) 127457
. 
[31]
A. Bosio, A. Zacco, L. Borgese, N. Rodella, P. Colombi, L. Benassi, L.E. Depero, 
E. Bontempi, A sustainable technology for Pb and Zn stabilization based on the use 
of only waste materials: A green chemistry approach to avoid chemicals and 
promote CO
2 
sequestration, Chem. Eng. J. 253 (2014) 377–384
. 
[32]
E.E. Chang, S.Y. Pan, L. Yang, Y.H. Chen, H. Kim, P.C. Chiang, Accelerated 
carbonation using municipal solid waste incinerator bottom ash and cold-rolling 
wastewater: Performance evaluation and reaction kinetics, Waste Manage. 43 
(2015) 283–292
. 
[33] China MEP. Solid waste-Extraction procedure for leaching toxicity-Sulphuric acid 
& 
nitric acid method. (HJ/T299-2007). Beijing, China, 2007. 
[34]
A. Tessier, P.G.C. Campbell, M. Bisson, Sequential extraction procedure for the 
speciation of particulate trace-metals, Anal. Chem. 51 (7) (1979) 844–851
. 
[35] Chinese EPA. Solid waste-Extraction procedure for leaching toxicity-Horizontal 
vibration method (HJ 557-2010). Beijing, China, 2010. 
[36] Chinese EPA. Solid waste-Glass electrode test-Method of corrosivity (GB/T 
15555.12-1995). Beijing, China, 1995. 
[37]
B. Du, J. Li, W. Fang, J. Liu, Comparison of long-term stability under natural ageing 
between cement solidified and chelator-stabilised MSWI fly ash, Environ. Pollut. 
250 (2019) 68–78
. 
[38]
S. Tian, J. Jiang, Sequestration of flue gas CO
2 
by direct gas-solid carbonation of air 
pollution control system residues, Environ. Sci. Technol. 46 (24) (2012) 
13545–13551
. 
[39]
R. Baciocchi, G. Costa, E. Di Bartolomeo, A. Polettini, R. Pomi, The effects of 
accelerated carbonation on CO
2 
uptake and metal release from incineration APC 
residues, Waste Manage. 29 (12) (2009) 2994–3003
. 
[40]
W. Liu, S. Su, K. Xu, Q. Chen, J. Xu, Z. Sun, Y.i. Wang, S. Hu, X. Wang, Y. Xue, 
J. Xiang, CO
2 
sequestration by direct gas-solid carbonation of fly ash with steam 
addition, J. Clean. Prod. 178 (2018) 98–107
. 
[41]
J.-C. Chen, J.-S. Huang, Partitioning characteristics and particle size distributions 
of heavy metals in the O-2/RFG waste incineration system, J. Hazard. Mater. 172 
(2-3) (2009) 826–832
. 
[42]
C. Wang, G. Chen, Y. Zhu, D. Yao, X. Huang, L. Wang, Leaching toxicity and 
bioaccessibility of heavy metals in MSWI fly ash with various particle sizes, 
Environ. Sci. 37 (2016) 4891–4898
. 
[43]
P. Ni, Z. Xiong, C. Tian, H. Li, Y. Zhao, J. Zhang, C. Zheng, Influence of carbonation 
under oxy-fuel combustion flue gas on the leachability of heavy metals in MSWI fly 
ash, Waste Manage. 67 (2017) 171–180
. 
[44]
K.M. Allal, J.C. Dolignier, G. Martin, Reaction mechanism of calcium hydroxide 
with gaseous hydrogen chloride, Rev. Inst. Fr. Pet. 53 (6) (1998) 871–880
. 
[45]
X. Xu, J. Jiang, M. Chen, M. Luo, Y. Zhang, X. Du, Investigation of the sequestration 
of CO
2 
and carbonation process for the stabilization of MSW fly ash, Environ. Sci. 
28 (2007) 1644–1648
. 
[46]
L. Wang, Y. Jin, Y. Nie, Accelerated carbonation of high Ca content municipal solid 
waste incineration fly ash and impact on leaching of heavy metal, Environ. Sci. 30 
(2009) 3399–3404
. 
[47]
J.-G. Jiang, X. Xu, J. Wang, S.-J. Yang, Y. Zhang, Investigation of basic properties 
of fly ash from urban waste incinerators in China, J. Environ. Sci. 19 (4) (2007) 
458–463
. 
[48]
X. Wan, W. Wang, T. Ye, Y. Guo, X. Gao, A study on the chemical and mineralogical 
characterization of MSWI fly ash using a sequential extraction procedure, 
J. Hazard. Mater. 134 (1-3) (2006) 197–201
. 
[49]
Y. Xu, H. Ding, C. Luo, Y. Zheng, Q. Zhang, X. Li, J. Sun, L. Zhang, Potential 
synergy of chlorine and potassium and sodium elements in carbonation 
enhancement of CaO-Based sorbents, ACS Sustain. Chem. Eng. 6 (2018) 
11677–11684
. 
[50]
V. Prigiobbe, A. Polettini, R. Baciocchi, Gas-solid carbonation kinetics of Air 
Pollution Control residues for CO
2 
storage, Chem. Eng. J. 148 (2-3) (2009) 
270–278
. 
[51]
S.-J. Han, H.J. Im, J.-H. Wee, Leaching and indirect mineral carbonation 
performance of coal fly ash-water solution system, Appl. Energy 142 (2015) 
274–282
. 
[52]
A. ´Cwik, I. Casanova, K. Rausis, N. Koukouzas, K. Zarębska, Carbonation of high- 
calcium fly ashes and its potential for carbon dioxide removal in coal fired power 
plants, J. Clean. Prod. 202 (2018) 1026–1034
. 
[54]
T. Van Gerven, E. Van Keer, S. Arickx, M. Jaspers, G. Wauters, C. Vandecasteele, 
Carbonation of MSWI-bottom ash to decrease heavy metal leaching, in view of 
recycling, Waste Manage. 25 (3) (2005) 291–300
. 
[55]
S. Arickx, T. Van Gerven, C. Vandecasteele, Accelerated carbonation for treatment 
of MSWI bottom ash, J. Hazard. Mater. 137 (1) (2006) 235–243
.