改性粉煤灰的吸附机理及其在废水处理中的应用_滕宗焕

管廊两侧或单侧设排水明沟，明沟的宽度能满足清扫即可。

鉴于钢铁企业地下水道管廊一般长度较长，如明沟设置有坡度会导致集水坑过深，而平时管廊内仅有少量的水，因此管廊排水明沟可按平坡设置。

３．３管廊吊装孔设置
除正常的检修进出口外，地下水道管廊顶板上应设置吊装孔，用于施工时管道及一些较大设备
（如阀门、伸缩套筒接头等）的进出。

在主干管廊的
直线段上每隔２００ｍ左右宜设置１个吊装孔，另外所有的支管廊上也应设置吊装孔，吊装孔应尽量靠近设备设置。

吊装孔尺寸以满足设备最大件或最大（长）管道的进出为好，通常水道管廊的长度不宜小于６米，宽度不宜小于１ｍ。

吊装孔在管道和设备安装完毕后可外扣混凝土盖板封堵或与伸出地面做成
通风井。

４结论
综上所述，钢铁企业的地下水道管廊断面大而复杂且长度长，优化、设计工作十分复杂，要做到技术上可行、经济上合理，必须进行详细的设计和周密的计算。

参考文献
１钢铁工业给水排水设计手册．北京冶金工业出版社２００２，１．２室外排水设计规范ＧＢ５００１４－２００６．３建筑给水排水设计规范ＧＢ５００１５－２００３．
４给水排水工程施工手册．北京中国建筑工业出版社，１９９４，５．
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—△作者通讯处：２０１９００上海宝山区铁力路２５１０号上海宝钢工程技
术有限公司环保公用部
Ｅ－ｍａｉｌ：ｊｉｎｙａｂｉａｏ＠ｂａｏｓｔｅｅｌ．ｃｏｍ
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０引言
粉煤灰是燃煤过程中产生的固体废弃物，具有
多孔性，比表面积大，故有很好的吸附性能。

粉煤灰通过物理吸附，化学吸附，离子交换吸附，静电吸附，絮凝吸附，沉淀和过滤等作用去除废水中的污染物。

其中物理吸附和化学吸附起主要作用。

１粉煤灰表面改性
粉煤灰的主要成分为ＳｉＯ２，Ａ１２Ｏ３及Ｆｅ２Ｏ３，其总量占粉煤灰的８５％左右。

碳粒（煤粉）在燃烧中由于气体的挥发和化学反应，形成表面多孔、形状复杂的焦状颗粒，比表面积约为（１．７～２．６）×１０－３ｍ２／ｇ，
其中大部分是玻璃球体，其余是结晶物质和未燃烬颗粒，形成一种空心颗粒与实心颗粒、多孔颗粒与规则颗粒、有机物质与无机物质相互混合的特殊粉体，其中，多孔玻璃体表面吸附化学活性最高。

决定粉煤灰潜在化学活性的因素主要是其中玻璃体含量、玻璃体中可溶性ＳｉＯ２和Ａｌ２Ｏ３的含量及玻璃体的解聚能力，但粉煤灰具有致密的玻璃态结构和表面保护膜层，要提高粉煤灰的化学活性，就必须破坏表面三Ｓｉ－Ｓｉ三，三Ｓｉ－Ａｌ三网络所构成的保护膜，使其内部可溶性ＳｉＯ２和Ａｌ２Ｏ３的活性被释放出来
［１］。

１．１粉煤灰火法活化改性
改性粉煤灰的吸附机理及其在
废水处理中的应用
滕宗焕
陈建中
摘
要
粉煤灰是一种工业固体废弃物，经过改性活化处理后，吸附能力大大提高，应用于废
水处理中，达到以废治废，实现资源可持续利用。

本文综述了粉煤灰表面改性及其吸附机理，目前国内外改性粉煤灰在废水处理中的应用现状和存在的问题。

关键词
改性粉煤灰
吸附机理
废水处理
火法改性是将粉煤灰与助熔剂（Ｎａ
２
ＣＯ３）按一定比例混合，在２００￣８５０℃的高温下熔融，使粉煤灰
分解：主要反应应为：
Ｎａ２ＣＯ３!Ｎａ２Ｏ＋ＣＯ２"……（１）
Ｎａ２Ｏ＋ＳｉＯ２!Ｎａ２ＳｉＯ３"……（２）
３Ｎａ２Ｏ＋４ＳｉＯ２!［３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２］……
!３［Ｎａ２Ｏ＋Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２］……（３）
６Ｎａ２Ｏ＋４ＳｉＯ２＋［３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２］……
!３［２Ｎａ２Ｏ・Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２］……（４）
然后与ＮａＯＨ溶液混合，经一系列的化学反应，
生成类沸石：Ｎａ－Ｐ型沸石（Ｎａ
３
Ａｌ３Ｓｉ３Ｏ１６．６Ｈ２Ｏ）和Ｙ型沸石（Ｎａ２．０６Ａｌ２Ｓｉ３．８Ｏ１１．６３．８Ｈ２Ｏ）。

由Ｘ射线衍射图（图１，图２）可知：粉煤灰颗粒由原来的圆滑状变成棱角状集合体。

在高温和助熔剂的作用下，ＳｉＯ
２和Ａｌ
２
Ｏ３的结合
键大大减弱，导致晶相结构的破坏，玻璃体熔融生成新物质，也称为“类沸石”。

类沸石的类型与碱溶液有关，吸附性能与焙烧温度有关。

１．２粉煤灰酸性活化改性
由电镜扫面图（图３，图４）可知：原状粉煤灰颗粒表面比较光滑致密，经酸处理后，粉煤灰颗粒表面变得粗糙，颗粒表面出现很多大的孔洞［２］。

经酸处理后的粉煤灰释放出大量的Ａｌ３＋和Ｆｅ３＋，能有效降低或消除水中悬浮颗粒的电位，使悬浮颗粒脱稳，同时经酸处理的粉煤灰颗粒表面形成许多凹槽和孔洞，能加强吸附这些脱稳的胶体颗粒。

经酸处理后的粉煤灰中含有Ａｌ
２
（Ｓ０４）３、ＦｅＣ１３、Ａ１Ｃ１３、Ｆｅ２（ＳＯ４）３、ＦｅＳＯ４、Ｈ２ＳｉＯ３等成份。

这些物质中，特别是硅酸凝胶的存在，能够捕捉悬浮颗粒，起到混凝吸附架桥作用。

另外，改性粉煤灰中的水解物质水解时能形成许多复杂的络合物，这些络合物不断发生缩聚反应，逐渐形成高分子聚合物。

随着缩聚反应的不断进行，聚合物的电荷不断升高，更有利于吸附废水悬浮的胶体杂质。

在混凝搅拌过程，粉煤灰悬浮于不断产生络合物的废水中。

由于粉煤灰颗粒的吸附性，使许多络合物和高分子聚合物将粉煤灰颗粒包裹在中间，形成一个较大的悬浮体。

当停止搅拌时，这些包含有粉煤灰颗粒的悬浮体由于容重较大会迅速沉降［３］。

１．３粉煤灰氧化钙活化改性
石灰与粉煤灰的反应，生成了新物质。

其重要的反应为：
ｍＣａ（ＯＨ）２＋ｎＳｉＯ２＋ｙＨ２Ｏ＝（ＣａＯ）ｍ（ＳｉＯ２）ｎ（Ｈ２Ｏ）ｙ＋ｍ
ｍＣａ（ＯＨ）２＋ｘＡｌ２Ｏ３＋ｙＨ２Ｏ＝（ＣａＯ）ｍ（Ａｌ２Ｏ３）ｘ（Ｈ２Ｏ）ｙ＋ｍ
ｍＣａ（ＯＨ）２＋ｘＡｌ２Ｏ３＋ｎＳｉＯ２＋ｙＨ２Ｏ＝（ＣａＯ）ｍ（ＳｉＯ２）ｎ（Ａｌ２Ｏ３）ｘ（Ｈ２Ｏ）ｙ＋ｍ
生成的水合硅铝酸盐不仅增大了比表面积．同时还具有了高持水性能，保持钙基表面吸附湿润。

这些水合盐均为粗大纤维状凝胶体，相互交叉构成空间结构，比表面积也成为１００～３００ｍ２／ｇ，提高了其表面化学活性。

ＣａＯ处理后的粉煤灰其表面形成了类似棉质絮状物质，并产生了空洞，增加了粉煤灰颗粒的比表面积。

１．４粉煤灰聚二甲基二烯丙基氯化铵（ＰＤＭＤＡＡＣ）活化改性
ＰＤＭＤＡＡＣ是带有大量正电荷的阳离子絮凝剂，沉降性很好，粉煤灰经ＰＤＭＤＡＡＣ改性处理后，粉煤灰表面电性由负变为正。

由电镜扫面图（图５，图６）ＰＤＭＤＡＡＣ
改性粉
煤灰后，粉煤灰的表面更加凹凸不平，ＰＤＭＤＡＡＣ的部分包裹在粉煤灰表面，甚至有一部分进入粉煤
灰的孔隙内部，粉煤灰表面呈疏松网络结构，比表面积成倍增大，表面能增强，亲水性增强。

而且粉煤灰起到了助凝剂的作用，有利于絮体的增大和沉降。

处理后的废水在较短的时间内达到澄清［５］。

１．５其他改性剂活化改性
碳酸钠活化改性粉煤灰：Ｎａ
２
ＣＯ３作为碱性激发剂改性后，对粉煤灰中的硅酸盐玻璃网络结构具有
直接的破坏作用，可以释放出内部可溶的ＳｉＯ
２
和Ａｌ２Ｏ３，将网络高聚体解聚成低聚度硅酸盐胶体物，颗粒变得多孔，体积增大，呈膨松态，比表面积增大，提高了粉煤灰的吸附混凝性能，改性后的粉煤灰在废水处理过程中起到了高效的吸附混凝作用。

硫化铁，氯化钠与酸等共同活化改性：改性后的主要成分是其主要成分为Ｆｅ３＋、Ａ１３＋、Ｃ１－和Ｃ，次要成分为Ｃａ２＋和Ｍｇ２＋。

由于改性粉煤灰中含有大量的Ｆｅ３＋和Ａ１３＋，具有较高的正电荷，能有效地降低或消除废水中悬浮胶粒的Ｚａｔａ电位，使废水中的悬浮胶粒脱稳；另外，这些物质水解后还可形成许多复杂的多核络合物，并随着缩聚反应的不断进行，聚合物的电荷不断升高，这也有利于吸附悬浮的胶体杂质，显示其较好的絮凝功能；粉煤灰中含有较多的碳，这部分残碳本身就类似于活性炭，通过用酸在较高温度下浸提后，其表面和微孔内就变得更加粗糙，比表面积显著增加，即粉煤灰通过改性后其表面被活化。

此外，溴化十六烷基三甲胺（ＣＴＭＡＢ）活化后的粉煤灰Ｚｅｔａ电位发生了变化，利用静电吸附作用可以有效的吸附阴离子型废水；水泥活化时利用其
释放出来的Ｃａ（ＯＨ）
２
，能很好的破坏粉煤灰中的玻璃体网络结构，提高其化学吸附的能力；铁盐，铝盐活化，增加了粉煤灰中Ｆｅ３＋，Ａｌ３＋的成分，从而提高了粉煤灰的絮凝吸附效果；氯化钠活化，打开粉煤灰中Ｓｉ－Ａｌ键，溶出硅铝，活性点增多，吸附能力增强。

２改性粉煤灰的吸附规律
国内外许多研究结果表明，粉煤灰与吸附质之间的物理吸附符合Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ吸附等温式，即ｌｇｑ０＝ｌｇｋｆ＋１／ｎｌｇＣ（ｑ０为平均吸附量，ｃ为平衡浓度，ｋｆ，１／ｎ为经验常数）。

有关研究表明：改性粉煤灰与吸附质之间既有符合Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ吸附等温式规律的也有符合Ｌａｎｇｍａｉｒ吸附等温式规律的。

王代芝［７］等用氧化钙活化改性粉煤灰处理酸性染料废水的吸附等温式为：ｌｇｑ０＝－０．２６２９＋０．２７９３ｌｇＣ；朱洪涛［８］用
氢氧化钙活化改性粉煤灰处理活性艳兰染料废水的吸附等温式为：ｌｇｑ０＝０．２５＋０．０．７１ｌｇＣ；张信［９］等经过亚铁盐活化粉煤灰后处理含磷水的吸附等温线为：ｌｇｑ０＝０．１８０７＋０．２１１４ｌｇＣ。

一般Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ吸附等温式中１／ｎ值在０．１～０．５时吸附易于进行，大于２时吸附难于进行，ｋｆ越大，吸附能力越强。

从上面的例子可以看出，１／ｎ小于２，改性粉煤灰主要通过物理吸附去除污染物。

Ｌａｎｇｍｕｉｒ认为固体表面由大量的吸附活性中心点构成，吸附只在这些活性中心点发生，活性中心的吸附作用范围大致为分子大小，每个活性中心只能吸附一个分子，当表面吸附活性中心全部被占满时，吸附量达到饱和值，在吸附剂表面上分布被吸附的单分子层［１０］。

Ｌａｎｇｍｕｉｒ吸附等温式为：Ｃ
ｅ
／ｑｅ＝ａ／ｑｅ０＋Ｃｅ／ｑｅ０（ｑｅ为达到任一平衡状态时的吸附量，ｍｇ／ｇ；ｑｅ０为饱和吸附量，ｍｇ／ｇ；Ｃｅ为溶液的平衡浓度，ｍｇ／Ｌ；ａ为与吸附有关的常数）。

胡巧开［１１］等用ＣＴＭＡＢ活化改性粉煤灰处理甲基对硫磷废水研究表
明，吸附等温式：Ｃ
ｅ
／ｑｅ＝０．８４８＋０．０８０２Ｃｅ；于晓彩［１２］等用酸活化粉煤灰后处理非离子表面活性剂研究表
明：吸附等温式Ｃ
ｅ
／ｑｅ＝８．２７１７＋０．０４１５Ｃｅ；杨林锋［１３］等用酸活化粉煤灰后处理含磷废水发现：吸附等温
式为：Ｃ
ｅ
／ｑｅ＝０．０５５４＋０．０９３３Ｃｅ；周珊［１４］等用铁铝盐活化粉煤灰后处理含油废水发现其吸附等温式为：Ｃｅ／ｑｅ＝０．００７４２＋０．０３２Ｃｅ。

以上例子说明，改性粉煤灰吸附处理废水符合Ｌａｎｇｍｕｉｒ吸附规律，在活性位吸附，物化吸附提高。

３改性粉煤灰在废水处理中的应用
３．１改性粉煤灰处理含重金属离子的废水
于立竟［４］火法改性粉煤灰后，Ｃｕ２＋初始浓度为２０ｍｇ／Ｌ，灰水比为３ｇ：２５０ｍｌ，ｐＨ值为７，搅拌时间为１０ｍｉｎ时，Ｃｕ２＋去除率为８７．６％；在最佳处理条件下，Ｃｒ６＋去除率为８４．４％，且用活法改性粉煤灰吸附Ｃｒ６＋要比酸改性粉煤灰处理效果好。

彭荣华［１５］等人对粉煤灰经过硫铁矿，氯化钠，盐酸等一系列活化处理后，Ｃｒ６＋初始浓度５０ｍｇ／Ｌ以下，Ｃｒ６＋去除率为９６％以上，同时对，Ｐｂ２＋，Ｃｕ２＋，Ｃｄ２＋等重金属有
很好的吸附效果，ｐＨ对其去除率有很大的影响。

王湖坤［１６］等人用粉煤灰－累托石混合吸附剂处理含铜冶金工业废水研究表明：粉煤灰与累托石质量比１：２，吸附剂用量３ｇ／Ｌ，作用时间２０ｍｉｎ，温度２５℃，Ｃｕ２＋的去除率达９９．７４％，废水中Ｃｕ２＋浓度由９．０８ｍｇ／Ｌ降至０．０２４ｍｇ／Ｌ，远远低于国家污水综合排放标准（ＧＢ８９７８－１９９６）一级标准。

肖文香［１７］等人用粉煤灰与水泥配比为１７：３改性粉煤灰，Ｃｒ６＋初始浓度为５ｍｇ／Ｌ，吸附平衡６ｈ，投加量为１ｇ／Ｌ，ｐＨ为４，Ｃｒ６＋的去除率为９５％。

王大军［１８］等人用ＣａＯ改性粉煤灰，对锌离子浓度在２５０ｍｇ／Ｌ以下的含锌废水，按锌与粉煤灰质量比为１：２００投加改性粉煤灰进行处理，ｐＨ在４￣１１，锌去除率达９８．７％以上。

胡巧开［１９］等人用３ｍｏｌ／ＬＨＣｌ改性粉煤灰后处理含铁废水，铁的去除率为９５％。

３．２改性粉煤灰处理染料废水
染料废水成分复杂，浓度高，色度大，难降解等特点，是我国主要有害有机污染物之一，利用改性粉煤灰吸附性能可以很好的除去其污染物质。

王代芝［７］等用１ｍｏｌ／ＬＣａＯ改性粉煤灰处理含酸性蓝４００ｍｇ／Ｌ的模拟废水中，研究表明投加量为２００ｇ／Ｌ，吸附时间为４０ｍｉｎ时，ｐＨ在６左右，去除率达９２．６４％。

曹先艳［２０］等ＰＤＭＤＡＡＣ改性粉煤灰后处理染料废水，投加量为２０ｇ／Ｌ、原水ｐＨ条件下，反应８０ｍｉｎ，脱色率为８４％以上，且改性粉煤灰的处理效果优于单独使用ＰＤＭＤＡＡＣ，ＰＡＣ。

盂文芳［２１］等用２ｍｏｌ／ＬＨＣｌ活化粉煤灰处理印染废水研究表明：投加量为２０ｇ／Ｌ，ｐＨ为６，对印染废水的色度和ＣＯＤ的去除都有很好效果。

王金梅［１］等用氧化钙改性粉煤灰后处理含耐酸大红４ＢＳ染料的废水研究表明：
在染料废水ＣＯＤ的质量浓度在３５６．８ｍｇ／Ｌ时，投加量为２０ｇ／Ｌ，ｐＨ值在１０．５左右，粒径在２００目左右时，ＣＯＤ去除率达到９５％，色度为５０度，可达到国家排放标准。

刘发现［２２］等用ＮａＯＨ，ＣａＣｌ
２
，ＫＣｌ和ＦｅＣｌ３分别制得钠型，钙型，钾型和铁型改性粉煤灰，实验研究发现：钙型改性粉煤灰对废水的脱色率，ＣＯＤ去除率的效果优于其他几种改性粉煤灰
３．３改性粉煤灰处理含油类，苯酚类废水
周珊［１４］等用１０％ＡｌＣｌ
３和１０％ＦｅＣｌ
３
等比例混合
液浸泡改性粉煤灰后处理含油废水，当含油初始浓
度为２５６ｍｇ／Ｌ，投加量为１ｇ／Ｌ，ｐＨ值为１０，吸附时
间为３０ｍｉｎ时，含油量下降至９．３ｍｇ／Ｌ，除油率可
达９６．３６％，达到国家含油废水一级排放标准
（ＧＢ８９７８－１９９６）。

杨明平［２３］等用硫铁矿，ＮａＣｌ，
ＨＣｌ和十二烷烃等多种改性剂活化粉煤灰后处理焦
化厂的含酚废水研究表明：酚，ＣＯＤ
Ｃｒ
，ＳＳ，色度的
去除率分别为：９８．７％，９４．４％，９７．３％，９６．９％。

实
验表明：用盐酸改性粉煤灰处理间甲苯酚废水，粒
径为８０目，水灰比为１０：ｌ，ｐＨ值为５，振荡温度
３Ｏ℃时，ＣＯＤＣｒ去除率达８０％。

［２４］
３．４改性粉煤灰处理含磷废水
由表１可知，含磷浓度在０．５～５０ｍｇ／Ｌ之间，经
酸和亚铁盐改性后的粉煤灰处理后，出水均低于
０．５ｍｇ／Ｌ（国家污水磷排放一级标准（ＧＢ８９７８－
１９９６））。

改性粉煤灰制备简单，除磷ｐＨ一般在４～
１０之间，投加量与磷初始浓度和改性剂有关，一般
随着初始浓度的增加投加量增加。

３．５改性粉煤灰在其他废水中的应用
改性粉煤灰在含氟，造纸，啤酒，表面活性剂，
医药废水，实验室废水等领域也有应用。

王代芝［２８］
等用Ｃａ（ＯＨ）
２
改性粉煤灰后处理含氟废水，氟去除
率达到９８％以上。

王恩德［２９］等用酸改性粉煤灰后
应用在造纸废水中，在废水ＣＯＤ浓度为８００～
１５００ｍｇ／Ｌ，投加量为２５０ｇ／Ｌ，改性粉煤灰的粒径
范围为７４－８３μｍ，ｐＨ为９～１２的实验条件下，
ＯＤＤ、ＢＯＤ、悬浮物、色度的去除率分别可达
８１．５％、８０，７％、９９．１％、９４％。

徐微［６］等用
初始ＰＯ４３－
（ｍｇ／Ｌ）
改性剂
改性工艺
参数
除磷工艺
参数
去除效果
１０
２５
０．５
５０
８．０２
（１ｍｏｌ／Ｌ）Ｈ２ＳＯ４＋
（１ｍｏｌ／Ｌ）ＨＣｌ
混合酸
ＨＣｌ：５０～６０ｇ／Ｌ
ＦｅＣｌ２：１５０～２００ｇ／Ｌ
ＮａＣｌ
１５％Ｈ２ＳＯ４
１ｍｏｌ／ＬＦｅＳＯ４
・７Ｈ２Ｏ
２ｍｏｌ／ＬＨ２ＳＯ４
固液比为：０．５ｇ／ｍＬ
粒径为：１６０￣１８０
目
固液比为
０．５ｇ／ｍＬ
盐灰比为１：２０，
煅烧温度为
９００℃。

酸灰比为
３ｍｌ／ｇ
固液比为
０．５ｇ／ｍＬ
固液比为
０．２５ｇ／ｍＬ
吸附时间：２ｈ
ｐＨ：４￣１０
投加量为３ｇ／Ｌ
ｐＨ：４～１０
投加量：２．５ｇ／Ｌ
投加量为
８０ｍｇ／Ｌ，接触时
间１５ｓ，ｐＨ：６～８
投加量为３．５ｇ／Ｌ，
平衡时
间３０ｍｉｎ，ｐＨ：４～
１０
投加量为５ｇ／Ｌ
ｐＨ：４～１０
去除率为９７．８８％
出水磷的浓度为
０．２１２ｍｇ／Ｌ
去除率为９８．８２％
出水浓度为
０．２６ｍｇ／Ｌ
去除率为６０％
以上
去除率为９９％
以上
出水浓度为
０．１５ｍｇ／Ｌ
表１近年来改性粉煤灰处理含磷废水一览表［２５～２７］。