粉煤灰表面设计改性及功能化研究进展

（安徽理工大学材料科学与工程学院资源循环系，安徽淮南232001）

摘要：当前粉煤灰的主要利用方法集中在提取其有用成分、作为填充料、处理废水或制作地聚物等方面，对其改性的研究也主要集中在增加空隙率、增大比表面积、提高吸附能力等方面。对粉煤灰颗粒进行表面改性再功能化的方法是提高其高附加值利用的主要手段之一。通过对粉煤灰表面功能化改性设计，得到了如疏水涂层、调湿材料、空气净化材料等功能材料，拓展了粉煤灰的应用范围，促进了粉煤灰的资源化，达到环境保护的目的。

关键词：表面设计负载；疏水涂层；调湿材料；空气净化材料；高附加值中图分类号：TQ536.4；X75

文献标志码：A

文章编号：1674-0912（2018）03-0037-03

作者简介：高美玲（1995-），女，安徽枞阳人，本科生，专业方向：资源循环科学与工程。

基金项目：中国煤炭工业协会项目（MTKJ2016-309）；2017粉煤灰作为一种成分复杂的大宗固体废弃物，其综合利用一直是重要的研究内容。目前粉煤灰多被作为一种填充材料用于混凝土材料中[1]，还有一些提取其中的有效化学成分研究，如粉煤灰精细化制备氧化铝和白炭黑[2]，或利用其成分制备地聚物[3]、分子筛[4]和微晶玻璃[5]等，利用其含有的硅铝酸盐与其他材料制备功能陶粒或无机陶瓷材料等[6]。粉煤灰的多孔吸附性可以被用来吸附废水中的有机物[7]和重金属[8]等。总之，粉煤灰是一种价格较便宜、应用较为广泛的固体废弃物，但在一些低附加值的应用中，贮运环节会占据较大成本，影响了其作为材料应用的发展。而对粉煤灰颗粒进行表面改性，再负载一些功能助剂，可得到一种新型的功能材料。该方法可以大大提高粉煤灰利用时的附加值，能极大调动企业对粉煤灰深度利用的积极性，促进粉煤灰的深度资源化。

1粉煤灰改性的研究现状

通过对粉煤进行改性的方法，可以得到更大比表面积的产品，能够更好地发挥吸附性能。利用物理改性方法，如机械研磨[9]、微波处理[10]、超声波[11]和高温处理[12]等，可以破坏粉煤灰玻璃体网络结构，增大比表面积，还可以通过镀膜[13]的方法改变粉煤灰颗粒的电磁性能；利用化学改性的方法，如火法改性[14]、水热改性[15]、酸改性[16]、碱改性[17]、矿物盐改性[18]、氧化钙[19]处理等，也可以破坏硅酸盐网络结构，促进玻璃体表面溶解，提高比表面积和离子交换能力等。

化学改性的方法还包括使用表面活性剂的改性，

如阳离子表面活性剂[20，21]

处理、偶联剂处理[22]和硬脂

酸[23]处理等，阳离子表面活性剂可以改变粉煤灰颗粒表面电性，提高其表面的吸附能力，主要用于各类废水处理过程中；硬脂酸可以达到疏水改性的目的，使得粉煤灰在聚合物（如PVC ，PP ）中作为填充料[24]；偶联剂改性处理方法可以提高无机颜料的分散性和玻璃、金属表面粘接力等，这些方法在处理粉煤灰时均具有不错的效果，已经在各类应用中表现出良好的效果。

2粉煤灰颗粒表面设计改性方法与研究

对粉煤灰颗粒的表面设计改性方法很多，一般都是通过界面上的基团设计，然后负载相应的功能团得到粉煤灰基功能材料。2.1粉煤灰基疏水薄膜材料

疏水性薄膜有很多应用的场合，如建筑外墙、包

装材料、防霉的场所等。如对煤粉灰的表面进行阳离子分散松香胶疏水改性，制备具有疏水性的纤维材料[25]。采用硬脂酸对粉煤灰进行改性，再利用有机/无机复合材料中的颜体体积浓度与临界颜料体积浓度之间的关系，调整薄膜疏水性能[26]。总之，利用粉煤灰制备的疏水薄膜材料成本低廉，可以用于包装材料和防霉要求较高的场合，具有较好的实用性。2.2后，用

的吸湿量，表现出良好的调湿能力。此复合调湿材料若用于内墙涂料中，能自动调节室内空气中的湿度，表现出优异的吸放湿功能[29]。而且此过程无需电源控制，节能环保，可根据所处的环境进行智能调湿。此类调湿材料成本较低，适合应用于家庭居室、图书馆等需要进行湿度控制的场合[30]。

2.3甲醛捕捉材料

室内或车内甲醛问题是影响到人们健康的大问题，当前的处理甲醛方法很多，但大多数处理方法存在着各种各样的局限性，达不到国家的限量标准（最高限量0.08mg/m3）。如活性炭吸附甲醛极易吸附饱和，在一定条件下还会发生解吸附；植物消除甲醛效率低下；甲醛捕捉剂的喷洒只能应用于短期，且容易造成居室环境的污染；光催化材料要求环境中有特殊的光激活才能持续作用；氧化型消除甲醛所用的负离子材料易有辐射污染，等等。

采用对粉煤灰[31]进行改性后负载甲醛捕捉剂，相当于结合了物理吸附与化学中和的两种效应。一方面物理吸附过来的甲醛与捕捉剂反应，不存在解吸附的问题，彻底地消除了甲醛；另一方面甲醛捕捉剂在粉煤灰上的负载，避免了对居室环境的污染，能24h持续地消除甲醛，使用方便，能够更彻底消除甲醛[32]。

利用甲醛捕捉剂在粉煤灰表面的负载，可以得到性能极佳的环境净化材料，具有非常高的附加值。在具有良好经济效益的同时，也具有非常好的社会效益。3改性粉煤灰应用展望

以上应用是粉煤灰通过表面改性功能化的一部分例子，这类改性方法具有非常强的针对性，容易进行表面设计，把固废粉煤灰变成了一种功能材料。总之，只有合理、充分、深度利用粉煤灰，才能真正地让粉煤灰不再是一种固体废弃物，而成为一种价格低廉、

[J].四川建[5]游世海，郑化安，付东升，等.粉煤灰制备微晶玻璃研究进展[J].

硅酸盐通报，2014，33(11)：2902-2907.

[6]Mi Haihui，Yang Jinlong，Su Zhenguo，et al.Preparation of

ultra-light ceramic foams from waste glass and fly ash[J].

Advances in Applied Ceramics，2017，116(7)：1-9.

[7]朱振华，李小敏，崔东，等.改性粉煤灰对废水中酸性大红2R的

吸附[J].工业安全与环保，2016，42(2)：16-18.

[8]谭燕宏.粉煤灰吸附材料处理含重金属废水初步探讨[J].环境

与可持续发展，2012，37(6)：88-90.

[9]王晓钧，施书哲.粉煤灰机械研磨后热学性质变化的研究[J].材

料科学与工程学报，2001，19(2)：61-65.

[10]李北罡，贾丽.粉煤灰微波改性及其对Cr6+的吸附特性[J].环

境工程学报，2012，6(9):3275-3279.

[11]孟宏睿，陈丽红，张科强.超声细化粉煤灰性能试验研究[J].工

业建筑，2004，34(3)：52-53.

[12]赵海晋，余其俊，韦江雄，等.利用粉煤灰高温重构及稳定钢渣

品质的研究[J].硅酸盐通报，2010，29(3)：572-576.

[13]陈松涛，李松田，吴春笃，等.粉煤灰空心微珠表面改性的研究

进展[J].表面技术，2007，36(4)：69-71.

[14]温秀芹.火法改性粉煤灰对含磷废水吸附性能的研究[J].广东

化工，2015，42(3)：59-60.

[15]王英刚，孙丽娜，张富韬.水热法改性粉煤灰去除矿山酸性废

水中金属离子[J].生态学杂志，2009，28(8)：1584-1588. [16]石建稳，陈少华，王淑梅，等.粉煤灰改性及其在水处理中的应

用进展[J].化工进展，2008，27(3)：326-334.

[17]王景芸.碱改性粉煤灰对印染废水的脱色处理研究[J].粉煤灰

综合利用，2011(1)：33-35.

[18]张新，谭雪霏，金志杰.石粉-粉煤灰复掺改性混凝土的研究

[J].硅酸盐通报，2012，31(3)：641-644.

[19]梁彦秋，孙小寒，马俊.氧化钙改性粉煤灰对酸性橙的吸附脱

色性能试验研究[J].安全与环境工程，2011，18(4):70-73. [20]牟淑杰.粉煤灰负载阳离子吸附处理印染废水的试验研究[J].

矿产综合利用，2010(3):26-29.

[21]孙志勇，王爱民，白妮.改性粉煤灰复配阳离子聚丙烯酰胺处

理焦化废水的研究[J].硅酸盐通报，2015(12):3606-3609. [22]王丽洁，刁建志，李龙，等.硅烷偶联剂KH-560对粉煤灰的表

面改性研究[J].化工新型材料，2015(11):176-178.

[23]谢卫苹，罗康碧，李沪萍，等.高填充型粉煤灰/PVC复合材料

的制备[J].中国有色冶金，2014，43(1)：67-71.

[24]Wong W Y，Truss R W.Effect of flyash content and

coupling agent on the mechanical properties of flyash-filled polypropylene[J].Composites Science&Technology，1994，52(3)：361-368.