粉煤灰改性及其应用研究进展

粉煤灰改性及其应用研究进展

吴美玲

【摘要】粉煤灰是煤燃烧后的固体废弃物,随着排放量增大,越来越受到人们关注.此文介绍了粉煤灰的性质和改性方法,综述粉煤灰的应用研究现状,概括为粉煤灰提取硅、铝、铁的应用现状、粉煤灰物理化学改性后的应用现状和粉煤灰合成分子筛的应用现状三个方面,并在比较应用方面优缺点的基础上,提出粉煤灰合成分子筛的途径是粉煤灰深度利用的方向,最后展望粉煤灰在环境治理方面具有良好的发展前景.

【期刊名称】《广州化工》

【年(卷),期】2017(045)008

【总页数】3页(P22-24)

【关键词】粉煤灰;性质;改性方法;应用

【作者】吴美玲

【作者单位】中石化股份公司天津分公司研究院,天津300271

【正文语种】中文

【中图分类】X752

粉煤灰是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，每燃烧1 t煤就能产生250～300 kg的粉煤灰。目前我国粉煤灰每年的排放量已经超过3亿吨，预计2020年，粉煤灰排量将达到5.01亿吨[1]。对粉煤灰的利用主要在建筑工程、道路工程和建材上。粉煤灰也可以用于环境保护上，用于废水和废气处理。由于粉煤灰的排放量较

大和可利用途径范围较广，因此近年来对粉煤灰改性和应用研究越来越深入。

粉煤灰是一种具有火山灰活性的微细粉末，包括结晶体、玻璃体及少量未燃尽的有机质，主要化学组分是Al2O3、Fe2O3、SiO2、CaO等，约占总量的70%以上。粉煤灰的矿物组成十分复杂，因原煤的组成和燃烧条件的不同而有较大的差异。表1为我国一些电厂粉煤灰化学组成[2]。

粉煤灰物理组织多孔，比表面积较大，具有较高的吸附活性，其物理性质见表

2[3]。从粉煤灰的物理性质可见，粉煤灰与活性炭的性质相似，因此粉煤灰具有较高的应用价值。

由于粉煤灰本身吸附容量不高，对其改性使其适用于不同的用途，因此对粉煤灰改性的研究较为深入。目前改性方法主要包括物理改性和化学改性。其中物理改性有机械磨细改性、微波改性、超声波改性、高温热改性以及金属化表面改性。其中机械磨细改性通过细磨使粉煤灰表面富含不饱和键，能够提高离子交换和置换的能力。同时粉煤灰经过机械研磨后，能够将一些松脆多孔结构、空心微珠等被打散，使颗粒更加均匀[4]。微波改性通过微波的高频交变电场特性使其能够进行能量的转化

和传递。微波改性既能节能省时，又可改变粉煤灰特性。超声波改性通过空化作用对粉煤灰化学改性，破坏粉煤灰的玻璃体结构，提高粉煤灰的吸附能力和离子交换能力。高温热改性利用高温直接破坏粉煤灰的玻璃网络结构，从而提高粉煤灰的物理和化学吸附能力。金属化表面改性是通过在粉煤灰表面镀覆金属薄膜来改变粉煤灰导电导磁性能的目的。金属化改性的粉煤灰常常作为一种良好的电磁吸波材料和电磁屏蔽材料使用[5]。化学改性包括碱法改性、酸改性、盐改性和表面活性剂改性。碱法改性，目的是破坏粉煤灰中的Si-O-Si和Si-O-Al 网络结构，破坏玻璃体表面的致密层，激发粉煤灰的活性。碱改性通常加入强碱氢氧化钠进行化学反应，即可制得改性粉煤灰。酸改性，是一种能耗较低的改性方法。在粉煤灰中加入酸，不仅可以去除粉煤灰通道内的杂质，改善粉煤灰的吸附效果，而且对粉煤灰中的硅、

铝、铁有较高浸出率，可以形成硅、铝凝胶和沸石分子筛。盐改性，主要是在粉煤灰表面吸附一些盐改性离子，如Al3+、Fe2+、Ca2+等一些离子，使得粉煤灰具有离子交换功能。表面活性剂改性，是通过改变粉煤灰表面电性来提高粉煤灰的表面吸附能力。

粉煤灰的改性常采用联合改性方式，以此满足不同方面的应用。如先机械改性使粉煤灰表面性质均匀再进行化学改性。对粉煤灰采用酸碱联合改性也是一种常用的方法，以此提高粉煤灰的吸附容量和吸附性能。

粉煤灰的应用领域根据粉煤灰自身的性质和改性后具有的特定性质而定，不同物理和化学性质的粉煤灰有不同的应用领域。目前粉煤灰研究应用领域可以分为以下三个方面。

3.1 粉煤灰提取硅、铝、铁的应用现状

粉煤灰中的主要成分为氧化硅和氧化铝。如我国内蒙、山西等地区存在的高铝粉煤灰，其主要特点是具有较高的氧化铝含量，为40%左右，最高可达48%～50%。因此对高铝粉煤灰的应用主要集中在氧化铝和氧化硅的分离提取上。目前所采用的方法主要有石灰石烧结法、酸溶出法、碱溶出法和酸碱联合法等[6]。高铝粉煤灰

可作为氧化铝和氧化硅的原料，达到资源化利用途径。

若粉煤灰中包含4%～18%铁含量较高的磁性微珠，可进行粉煤灰磁珠的综合利用。根据磁珠特性进行精细分级，可实现高附加值利用。经过多级磁场磁选后，粉煤灰磁珠可应用到重介质选煤中、水处理领域中、复合材料等领域中[7]。

以粉煤灰为原料制备多孔的SiO2气凝胶材料，可进一步应用在医学、光电、机械等领域。其中大连理工大学、中国地质大学和西南科技大学等高校开展的粉煤灰制备SiO2气凝胶的研究，取得较大的研究成果。以粉煤灰为原料制备气凝胶材料首先要对粉煤灰进行活化或者预处理，然后经过溶胶-凝胶聚合和常压干燥方法获取。但目前对SiO2气凝胶的研究还处于实验室研究阶段，大规模产业化的生产工艺还

有待于开发[8]。

3.2 粉煤灰物理化学改性后的应用的现状

粉煤灰经过物理化学改性后，应用范围较广，目前多用于废水和废气处理上。

废水处理，可用于含酚废水、印染废水、焦化废水、含重金属废水、氨氮废水与含磷废水、含油废水等方面上。对粉煤灰改性，使粉煤灰中的Fe3+、Al3+形成新的结构。可催化过氧化氢的氧化反应，有效降低废水中的有机物。通过在粉煤灰中加入碳酸钠，高温煅烧后，再用盐酸溶解所制得改性后的粉煤灰，可用于含酚废水的处理。由于改性后的粉煤灰比表面积增大，吸附性能增强，且作为非均相催化剂，催化过氧化氢氧化水中的苯酚，明显提高了苯酚去除率和氧化效率[9]。粉煤灰对

染料废水的处理也有明显的效果。用盐酸对粉煤灰进行改性，可以吸附废水的亚甲基蓝、酸性蓝、酸性红等。而且染料废水的COD和色度去除率能到达80%以上。用亚铁离子对粉煤灰进行改性，可有效脱除废水中的磷，在适宜条件下，对磷的去除率能达到98%以上[10]。废水中的重金属离子严重影响水质，带来巨大的危害。粉煤灰经改性后，对废水中的重金属离子具有良好的吸附性能。如用氢氧化钙活化粉煤灰对Cr6+较强的吸附作用，用铝改性粉煤灰后对废水中的金属砷有良好的吸附性能[11]。氨氮废水对人体及其他微生物有一定的毒副作用，严重时可诱发癌症。将粉煤灰以氢氧化钠煅烧水热合成改性，对氨氮的去除率达90%以上[12]。

粉煤灰经过活化或改性后也可应用于废气处理中。在废气处理上主要应用在脱硫脱氮和酸雾治理中。以粉煤灰和氢氧化钙为原料开发吸附剂，可以应用到烟气脱硫脱氮中。

3.3 粉煤灰合成分子筛的应用现状

分子筛因其自身结构组成中所含有的硅铝比不同而导致分子筛的用途和性质不同，根据其性质不同可以将分子筛应用到不同领域中。由于粉煤灰的主要组成成分和分子筛相似，因此将粉煤灰合成分子筛，不但有利于资源利用价值提高，而且拓宽了