改性粉煤灰在水處理方面的研究*

王洋洋，陳 嵐

（華北電力大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，河北保定071003）

粉煤灰是從煤燃燒后的煙氣中收捕下來(lái)的細(xì)灰，是燃煤電廠的副產(chǎn)物。粉煤灰的綜合利用受到國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的關(guān)注。粉煤灰新興的應(yīng)用領(lǐng)域包括：土壤改良劑、吸收劑、催化劑載體和作為陶瓷的生產(chǎn)材料[1-5]，目前，我國(guó)粉煤灰主要用于建筑工程、道路工程等方面。粉煤灰以它獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)在水處理方面顯示了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。粉煤灰中含有較多的活性氧化鋁和氧化硅等，能與吸附質(zhì)通過(guò)化學(xué)鍵結(jié)合；同時(shí)粉煤灰的結(jié)構(gòu)多孔，比表面積較大，因而具有良好的吸附性能，可應(yīng)用于廢水的處理[6]。但原始粉煤灰的吸附容量不高，因此，粉煤灰的改性顯得十分重要。

1 粉煤灰的物化特性及作用機(jī)理

1.1 粉煤灰的物化特性

粉煤灰的主要化學(xué)成分包括硅、鋁、鐵氧化物，約占粉煤灰總質(zhì)量的85%，以及一定量的鈣、鎂、硫氧化物，含量相對(duì)較低，還有一些痕量元素如Cu、Cr、Pb 等[7]，此外還有未燃盡的炭粒。

粉煤灰的組成和性能取決于煤的類型和燃煤電廠應(yīng)用的技術(shù)，因此，各個(gè)電廠的粉煤灰是有差異的。對(duì)此Stanislav 等[8]研究了一種新的粉煤灰分類方法。按化學(xué)成分可分為：Sialic 型粉煤灰；Calsialic 型粉煤灰；Ferrisialic 型粉煤灰和Ferricalsialic 型粉煤灰。按粉煤灰的相態(tài)及礦物質(zhì)可分為：凝硬性粉煤灰；惰性粉煤灰；活性粉煤灰和混合型粉煤灰。粉煤灰的類型不同決定著粉煤灰的應(yīng)用領(lǐng)域不同。如凝硬性粉煤灰具有快速凝固的特點(diǎn)，主要用于水泥混凝土方面。

1.2 粉煤灰在水處理中的作用機(jī)理

粉煤灰在水處理中的主要作用機(jī)理為吸附[9]，主要包括物理吸附和化學(xué)吸附。粉煤灰與污染物分子間通過(guò)分子間引力產(chǎn)生的吸附為物理吸附，吸附效果取決于粉煤灰的多孔程度和比表面積?；瘜W(xué)吸附主要是由于粉煤灰表面具有大量的Si、Al 等活性點(diǎn)，能與吸附質(zhì)通過(guò)化學(xué)鍵發(fā)生結(jié)合。汪昆平[10]等以粉煤灰為吸附劑，研究了粉煤灰對(duì)水中陰離子型染料橙黃II 的吸附去除規(guī)律。粉煤灰除了能夠吸附有害物質(zhì)外，其中的一些成分還能與廢水中的有害物質(zhì)作用使其形成吸附-絮凝沉淀，但主要作用是吸附，混凝沉淀、過(guò)濾和中和沉淀只是對(duì)吸附起協(xié)同作用。

2 粉煤灰的改性

粉煤灰的改性主要是對(duì)粉煤灰進(jìn)行物理或化學(xué)的處理，增加粉煤灰的表面積和空隙率，進(jìn)而提高它的吸附性能。目前，常用的粉煤灰改性方法有酸改性、堿改性、鹽改性、混合改性和粉煤灰合成沸石等。

彭敏等[11]研究了酸對(duì)粉煤灰的改性，比較了與HCl、HNO3、HClO4、H2SO44 種酸反應(yīng)后粉煤灰的形貌和組成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，H2SO4可有效的與鐵鋁氧化物反應(yīng)，又不明顯破壞粉煤灰的玻璃微珠，為粉煤灰的最佳改性劑。朱洪濤[12]采用添加熟石灰并升溫活化的方法對(duì)粉煤灰進(jìn)行改性，研究了改性粉煤灰對(duì)活性艷蘭染料的吸附脫色規(guī)律。結(jié)果表明：當(dāng)Ca(OH)2與粉煤灰配比為1∶9，活化溫度為500℃時(shí)，改性粉煤灰對(duì)活性艷蘭染料有較好的脫色效果。曾經(jīng)等[13]將粉煤灰浸泡在A1（NO3）3溶液中24h，得到了改性的粉煤灰，結(jié)果表明，改性粉煤灰對(duì)銅具有較強(qiáng)的吸附性能。Zhou 等[14]首先對(duì)粉煤灰進(jìn)行酸和混合堿的改性處理，之后調(diào)配各組分比例，反應(yīng)合成單一相沸石NaP1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)混合堿的濃度為8mol·L-1時(shí)，合成的沸石為單一相的沸石NaP1。

沸石是一種水合的鋁硅酸鹽晶體，具有均勻的孔徑和大的比表面積，被廣泛用作離子交換劑、分子篩、氣體吸附劑、催化劑等。沸石通常采用純化工原料合成，價(jià)格較貴，不能滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。粉煤灰中含有大量的Al 和Si 成分，可用作鋁硅酸鹽合成沸石[15]。沸石的比表面積比粉煤灰大的多，具有更強(qiáng)的吸附能力，增加了粉煤灰的利用價(jià)值。Marisa 等[16]用粉煤灰合成沸石，去除水中重金屬離子。結(jié)果表明，隨著沸石合成時(shí)間的增長(zhǎng)和溫度的升高，吸附離子能力隨之增長(zhǎng)。

3 改性粉煤灰在水處理中的應(yīng)用

3.1 改性粉煤灰處理NH3-N 廢水

隨著工業(yè)的發(fā)展和人們生活水平的提高，NH3-N 廢水的排放急劇增加，嚴(yán)重危害水環(huán)境和人類健康，使用粉煤灰處理NH3-N 廢水得到了人們的關(guān)注。陳婉妹等[17]通過(guò)3 種方式即添加助劑煅燒、酸洗、堿洗對(duì)粉煤灰進(jìn)行改性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，堿改性的粉煤灰的吸附性能較好，實(shí)驗(yàn)得出了堿改性粉煤灰吸附NH3-N 的最佳吸附條件為：對(duì)100mL 起始濃度50mg·L-1的NH3-N 廢水，當(dāng)粉煤灰為2g，廢水pH值為7，攪拌時(shí)間為20min 時(shí)，改性粉煤灰對(duì)NH3-N的脫除率達(dá)70.86%。陳瀟晶[18]采用Na2CO3煅燒水熱合成改性、NaOH 水熱合成改性、NaOH 煅燒水熱合成改性3 種改性方法分別對(duì)粉煤灰進(jìn)行改性處理，改性后粉煤灰比表面積都有不同程度的提高。其中以NaOH 煅燒水熱合成改性效果最佳，對(duì)NH3-N 的去除率可達(dá)90%。

3.2 改性粉煤灰處理含磷廢水

過(guò)量磷存在于水體中會(huì)產(chǎn)生巨大的危害，主要表現(xiàn)為水體的富營(yíng)養(yǎng)化。曹守坤[19]經(jīng)過(guò)4 種改性劑對(duì)粉煤灰進(jìn)行改性，結(jié)果表明經(jīng)FeCl3改性后的粉煤灰除磷效果最好。除含磷30mg·L-1的模擬廢水100mL，加入粉煤灰1g，在室溫條件下，不需要調(diào)節(jié)溶液的pH，磷的去除率可達(dá)99%，改性粉煤灰的吸附量可達(dá)2.97mg·g-1。在處理實(shí)際廢水時(shí)，改性粉煤灰投加量為1.5g 時(shí)，處理后廢水能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。張信等[20]用Fe2+對(duì)粉煤灰進(jìn)行改性并研究了改性后的粉煤灰對(duì)磷的吸附行為，結(jié)果表明粉煤灰用適量亞鐵離子改性后對(duì)磷的吸附能力有較大改善，在30～50℃溫度下，向100mL 含磷50mg·L-1的溶液投加改性粉煤灰的質(zhì)量分別為2.5、3.5g 時(shí)，其對(duì)磷的吸附率分別達(dá)98%、99%。

3.3 改性粉煤灰處理重金屬?gòu)U水

重金屬對(duì)人體是一種有害蓄積性中毒物質(zhì)，當(dāng)人體內(nèi)重金屬含量過(guò)高時(shí)，便會(huì)導(dǎo)致各種不治之癥。鄧瑋[21]在800℃下用質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%的CaO 改性粉煤灰，并進(jìn)行重金屬吸附測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在改性粉煤灰投加量為9g，反應(yīng)pH 值為7，反應(yīng)時(shí)間為30min 的條件下，改性粉煤灰對(duì)50mL 濃度為10mg·L-1的含鉻廢水的去除率可達(dá)96.02%。Ren 等[22]研究了改性粉煤灰對(duì)Cr6+的吸附平衡動(dòng)力學(xué)。研究表明Cr6+濃度為2mol·L-1，pH 值為2 時(shí)，每升廢水投入2g 用0.25mol·L-1H2SO4溶液改性過(guò)的粉煤灰，處理1h 后，Cr6+的去除率可達(dá)到98.7%，吸附過(guò)程符合Langmuir 吸附模型。

3.4 改性粉煤灰處理礦井廢水

酸性礦井廢水是煤炭開采過(guò)程中產(chǎn)生的一類礦井水，用改性粉煤灰處理酸性廢水可達(dá)到資源綜合利用。Ariela 等[23]研究粉煤灰合成沸石的方法，并用合成沸石處理礦井廢水。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，合成沸石對(duì)礦井廢水中Mn2+和Zn2+的去除率分別達(dá)到99.8%和81%。而合成沸石的成本大約是商品沸石的一半。

3.5 改性粉煤灰處理染料廢水

染料廢水具有有機(jī)污染物含量高，色澤深和可生化性較差等特點(diǎn)。粉煤灰結(jié)構(gòu)多孔，可作為凈化染料的吸附劑。Fan 等[24]研究了粉煤灰對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附情況，重點(diǎn)分析了pH 值、接觸時(shí)間、廢水濃度和粉煤灰的量等影響因素對(duì)吸附量的影響。

袁淼卉等[25]以粉煤灰為載體，選擇合適的活性組分負(fù)載，制備出效果較好的催化劑，并用于催化臭氧氧化處理亞甲基藍(lán)模擬廢水的研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：改性粉煤灰載體在活性組分NiO 負(fù)載量為1（wt）%，酸浸漬時(shí)間為15h，煅燒溫度為300℃，煅燒時(shí)間為2h 條件下性能最優(yōu)；改性粉煤灰催化O3氧化在O3輸出體積分?jǐn)?shù)為40%，pH 值為6.5，催化劑的投加量為8g·L-1，反應(yīng)時(shí)間1h，催化效果最好，COD 的去除率能從單獨(dú)O3氧化的41.44%提高到73.87%，色度去除率達(dá)到98%。

4 結(jié)論

粉煤灰來(lái)源廣，價(jià)格低廉，可用來(lái)作為一種新型的水處理劑，去除水中的污染物。改性粉煤灰與改性前相比，增大了粉煤灰的比表面積和吸附容量，對(duì)NH3-N 廢水、含磷廢水、重金屬?gòu)U水、礦井廢水、染料廢水等具有良好的效果。但是粉煤灰在水處理的過(guò)程中尚有需要進(jìn)一步改善之處：

（1）粉煤灰粒徑較小，處理廢水后固液難以分離。

（2）粉煤灰中重金屬組分在水處理過(guò)程有逸出的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)注意二次污染問題。

（3）可進(jìn)一步完善改性方法，切實(shí)增強(qiáng)粉煤灰活性，以拓寬其水處理領(lǐng)域。

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