粉煤灰資源綜合利用現(xiàn)狀研究*

劉夢(mèng)茹，楊亞東，楊素潔，劉新亮，張 冰，王 浩，劉秀玉，唐 剛

(1.安徽工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，安徽 馬鞍山243032；2.中冶華天工程技術(shù)有限公司 節(jié)能環(huán)保研究院，安徽 馬鞍山243005)

0 引言

粉煤灰是電廠鍋爐燃燒后從煙氣中收集的細(xì)灰，主要成分是二氧化硅和三氧化二鋁以及少量三氧化二鐵、氧化鈣、氧化鎂、氧化鈉、氧化鉀和氧化硫等。隨著電力消耗的增加，粉煤灰排放量也逐年增長(zhǎng)。我國(guó)2017年粉煤灰產(chǎn)量為6.86億t，2018年為7.15億t，2019年為7.48億t，2020年預(yù)計(jì)為7.81億t，2024年將達(dá)到9.25億t[1]。大量的粉煤灰露天堆放不僅占用土地，而且還會(huì)破壞土壤的酸堿平衡，污染水體和空氣，給環(huán)境造成沉重壓力。如果我國(guó)能夠?qū)⒍逊e的粉煤灰進(jìn)行合理的資源化利用，不但能有效解決環(huán)境污染問題，還能夠創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，實(shí)現(xiàn)資源的高價(jià)值化利用。

1 粉煤灰性質(zhì)

1.1 粉煤灰物理性質(zhì)

粉煤灰通常情況下為灰白色或灰黑色，粒徑常在0.5～300.0 μm[2]，視密度在1.0～1.8 g/cm3，密度在2.1～2.6 g/cm3。粉煤灰的細(xì)度和粒度與其性質(zhì)密切相關(guān)。粉煤灰的表面光滑，多為球狀和不規(guī)則狀，使其在松散狀態(tài)下具有良好的滲透性，其滲透系數(shù)比黏土大幾百倍。在外載負(fù)荷作用下，粉煤灰具有一定的壓縮性[3]，其壓縮形變與黏土相比較小。

1.2 粉煤灰化學(xué)性質(zhì)

粉煤灰是一種人造火山灰[4]混合材料，其本身無(wú)水硬膠性能，但當(dāng)以粉末狀與水存在時(shí)，能在一定條件下與石灰(氫氧化鈣)或其他堿性金屬氧化物發(fā)生水化反應(yīng)，生成具有硬膠性能的化合物，變成一種能提高強(qiáng)度和耐久性的原料。

2 粉煤灰綜合利用現(xiàn)狀

當(dāng)前我國(guó)擁有近200項(xiàng)關(guān)于粉煤灰綜合利用的技術(shù)，其中70項(xiàng)得到了實(shí)施應(yīng)用，主要用于建筑、化工、環(huán)保、農(nóng)業(yè)、造紙、陶瓷等領(lǐng)域。

2.1 粉煤灰在建筑方面的應(yīng)用

粉煤灰作為建筑材料有幾個(gè)特點(diǎn)：性質(zhì)易分析、存在球狀顆粒、能夠與混凝土搭配、利用量大、利用范圍廣、利用程度高。粉煤灰在建筑方面的使用量占利用總量的45%左右[5]，主要產(chǎn)品有：粉煤灰水泥(摻量30%以上)、混凝土、普通水泥、墻體材料、路基填料、硅酸鹽承重砌塊和小型空心砌塊、燒結(jié)陶粒、燒結(jié)磚等。

2.1.1 粉煤灰用于制作水泥

用粉煤灰制作水泥，可節(jié)省工程造價(jià)。磷酸鎂水泥是一種新型無(wú)機(jī)硬性膠凝材料，具有早強(qiáng)高強(qiáng)、耐高溫、黏結(jié)長(zhǎng)久、凝結(jié)硬化快等優(yōu)點(diǎn)，常被用于結(jié)構(gòu)加固、橋面道路的快速搶修。將粉煤灰摻入磷酸鎂水泥，既實(shí)現(xiàn)了固體廢棄物的資源化利用，又降低了水泥的生產(chǎn)成本。李十泉等[6]研究了水灰比、粉煤灰摻量對(duì)磷酸鎂水泥試件強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明，在水灰比為0.17、粉煤灰摻量為10%時(shí)，試件強(qiáng)度和施工性較好，1 d抗折、抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到了5.3、25.9 MPa；由此可知，在水泥中加入粉煤灰不僅能夠提高其凝固性，而且具有較好的抗壓、抗彎、防水性能。因此，粉煤灰在水泥生產(chǎn)中具有良好的應(yīng)用前景。

2.1.2 粉煤灰用于制作混凝土

根據(jù)氧化鈣含量的高低將粉煤灰進(jìn)行分類：高于10%為C類粉煤灰，低于10%為F類粉煤灰。C類粉煤灰具有一定的水硬性，常摻入水泥等膠凝材料來(lái)制備混合材料，F(xiàn)類粉煤灰常被用作混凝土摻料[7]代替部分水泥。在混凝土中摻入適量粉煤灰，能提高混凝土的密實(shí)度，從而增強(qiáng)其和易性、力學(xué)性能和抗?jié)B性。馬江萍[8]經(jīng)過試驗(yàn)確定的雙摻混凝土最佳配比為：凝膠材料摻量為15%、水泥-粉煤灰質(zhì)量比為2∶1，利用該配比澆筑的混凝土樁對(duì)軟土地基進(jìn)行改良，復(fù)合地基平均承載力達(dá)493.63 kPa。大量試驗(yàn)結(jié)果表明：在混凝土中加入適量粉煤灰，能夠改進(jìn)混凝土的性能、提升混凝土強(qiáng)度、節(jié)省成本，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

2.1.3 粉煤灰用于制作磚與砌塊

磚與砌塊是建筑外墻常用的材料，與燒結(jié)黏土磚相比，粉煤灰砌塊具有容重小、強(qiáng)度大、導(dǎo)熱系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)。建筑業(yè)中常用的粉煤灰磚主要有2種：①蒸養(yǎng)粉煤灰磚。以粉煤灰和石灰為原料，摻入適量石膏和骨料并按一定比例配制，在常壓蒸汽養(yǎng)護(hù)下制成；這種材料保留了粉煤灰的隱性化學(xué)活性，具有水硬性，在環(huán)境中與水發(fā)生水化反應(yīng)，使磚結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，較一般磚料有更好的強(qiáng)度、硬度及穩(wěn)定性，并且能大量生產(chǎn)，未來(lái)可能替代現(xiàn)在主要使用的黏土磚；②燒結(jié)粉煤灰磚。在黏土中摻入粉煤灰，經(jīng)過配料、攪拌、干燥和焙燒而成，適用于工業(yè)與民用建筑的承重和非承重墻體，磚的質(zhì)量要比黏土燒結(jié)磚小，還具有成本低、燒結(jié)快、產(chǎn)量高等優(yōu)點(diǎn)，符合我國(guó)產(chǎn)業(yè)政策要求，值得推廣使用，是非承重墻體材料的替代品之一[9]。

2.2 粉煤灰在化工方面的應(yīng)用

由于粉煤灰中所含的大量SiO2、Al2O3、TiO2等氧化物是常用的催化劑載體，因此粉煤灰也被廣泛應(yīng)用于催化劑領(lǐng)域。另外粉煤灰經(jīng)過高溫燃燒后化學(xué)性質(zhì)極其穩(wěn)定，亦可作為載體用于脫硫、脫硝、制氫等。李穎穎等[10]以粉煤灰為載體，對(duì)其進(jìn)行了預(yù)處理，高溫煅燒后制備出了改性粉煤灰，利用該催化劑進(jìn)行了降解羅丹明B廢水實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：實(shí)驗(yàn)最佳條件是pH=7、改性粉煤灰投加量為0.2 g、羅丹明B起始質(zhì)量濃度為2 mg/L，用可見光照射120 min后，羅丹明B幾乎全部被降解。經(jīng)過活化和預(yù)處理，粉煤灰較未處理時(shí)具備更好的催化效果，因此粉煤灰可以應(yīng)用于化工領(lǐng)域。

2.3 粉煤灰在環(huán)保方面的應(yīng)用

2.3.1 粉煤灰用于合成沸石

因粉煤灰沸石具有架狀結(jié)構(gòu)和特殊的孔道結(jié)構(gòu)，故其擁有較強(qiáng)的離子吸附性能、離子交換性能和較大的離子交換容量，可用于污水處理、氣體分離與凈化、土壤改良等。曾正中等[11]通過堿熔融-水熱合成法制成了A型沸石，堿融法是指將堿和粉煤灰混合后進(jìn)行高溫處理，使其充分得到活化，然后進(jìn)行水熱合成沸石；廢水處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，合成沸石對(duì)廢水中Cr3+的去除率達(dá)到99%，同時(shí)COD和氨氮的去除率在70%左右。李喜林等[12]利用粉煤灰沸石的吸附性對(duì)含鉻廢水進(jìn)行了處理，結(jié)果表明，在Cr3+質(zhì)量濃度為100 mg/L、pH為9.07的廢水中加入15 g粉煤灰沸石，吸附60 min后，Cr3+的去除率達(dá)到99.62%。隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，氮氧化物及VOCs大量排放，造成了大氣污染，很多學(xué)者用粉煤灰沸石對(duì)空氣污染物進(jìn)行了吸附，獲得了一定的去除效果。楊文煥等[13]采用堿熔融-水熱法合成了粉煤灰沸石，并采用TEM、XRD、SEM等檢測(cè)手段研究了粉煤灰沸石對(duì)氨氮的吸附性能，結(jié)果表明，P型沸石的比表面積為148.81 m2/g，pH在6～8，吸附時(shí)間30 min，氨氮的去除率可達(dá)68.2%。

2.3.2 提取氧化鋁

粉煤灰中含有大量的氧化鋁，質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在17%～35%，部分地區(qū)為40%～60%，從粉煤灰中提取氧化鋁可以緩解我國(guó)鋁土礦資源短缺的問題。從粉煤灰中提取氧化鋁的方法主要有酸法、堿法、酸堿聯(lián)合法。ZHANG等[14]從粉煤灰中回收了鋁，并用碳酸鈣對(duì)其進(jìn)行了活化，結(jié)果表明，微波加熱碳酸鈣能釋放95%的鋁，與傳統(tǒng)的熱活化相比，微波活化使燒結(jié)溫度降低近400 ℃，反應(yīng)時(shí)間縮短20倍。王宏賓等[15]采用“一步酸溶法”經(jīng)配料溶出、沉降分離、凈化、蒸發(fā)結(jié)晶、焙燒以及酸回收等步驟，得到了質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)99.3%的氧化鋁，反應(yīng)時(shí)間縮短了20倍，在800 ℃恒溫?zé)崽幚? min的最佳工藝條件下，Al2O3提取率可達(dá)95%。蔣訓(xùn)雄等[16]采用酸堿聯(lián)合的方法從高鋁粉煤灰中提取了氧化鋁，主要步驟有濃硫酸熟化、水浸、濃縮結(jié)晶、還原焙燒。該工藝的氧化鋁提取率為92.44%，且氧化鋁的品質(zhì)較好。

2.4 粉煤灰在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用

粉煤灰的顆粒形態(tài)賦予了其易被吸收的特點(diǎn)，而粉煤灰又富含大量對(duì)農(nóng)作物有益的微量元素，因此粉煤灰可為農(nóng)作物提供營(yíng)養(yǎng)成分，促進(jìn)農(nóng)作物生長(zhǎng)。有關(guān)研究表明，粉煤灰中雖然含有一定量的鉻、鉛、汞等對(duì)農(nóng)作物有害的重金屬，但當(dāng)其施用量小于4.5 kg/m2時(shí)并不會(huì)對(duì)土壤產(chǎn)生不利影響[17]。龐喆等[18]將粉煤灰和有機(jī)肥混合使用，發(fā)現(xiàn)混合肥能提高土壤表層7.5 cm處的溫度，相較于其他處理方式，混合肥利用率最大為23.52 kg/(hm2·mm)，2 年的玉米產(chǎn)量每平方米也提高了75%。除此之外，粉煤灰還可以作農(nóng)藥配制的載體，能除草滅蟲，與水為載體相比，粉煤灰農(nóng)藥具有極好的可視性，且能夠使農(nóng)藥效果更好、藥效更持久。粉煤灰在農(nóng)業(yè)方面應(yīng)用的特點(diǎn)，為其今后的綜合利用提供了新思路。

2.5 粉煤灰在造紙方面的應(yīng)用

粉煤灰粒徑較大，加工后可作為造紙?zhí)盍希?jié)省原木消耗。HORIUCHI等[19]使用細(xì)小粒徑的粉煤灰作填料研究了紙張的透光性能，發(fā)現(xiàn)在紙張中加入粉煤灰可提高其透光性，但因紙張白度低，可應(yīng)用于對(duì)白度要求較低的紙中，且該類型的紙張強(qiáng)度高于高嶺土作填料的紙張強(qiáng)度。此外，粉煤灰可制成粉煤灰纖維，粉煤灰纖維紙張的物理性能與植物纖維紙張不相上下，但在耐水、耐高溫、防火、防腐、防蛀等方面優(yōu)于植物纖維紙張。

2.6 粉煤灰在陶瓷方面的應(yīng)用

粉煤灰中含有Al、Si、Fe和Ca等元素，可作為陶瓷的優(yōu)良原料，且粒徑更細(xì)，能省去破碎和研磨工序，節(jié)省時(shí)間。張冬梅等[20]以粉煤灰、高嶺土和山皮土為主要原料，用碳化硅(SiC)作發(fā)泡劑，采用原位發(fā)泡法制備了泡沫陶瓷，結(jié)果表明，當(dāng)燒成溫度為1 300～1 400 ℃、發(fā)泡劑SiC摻量為4%～6%時(shí)，可制備出孔隙率高、密度小、孔徑均勻的泡沫陶瓷，這種陶瓷與傳統(tǒng)陶瓷相比具有氣孔率高、比表面積大、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。楊景琪[21]等用粉煤灰和陶瓷廠的拋光渣為主要原料，輔以鉀鈉砂、滑石助融，加入膨潤(rùn)土增加料漿黏度，以碳化硅微粉作為發(fā)泡劑，在固定的耐火匣缽中采用粉料堆積法制備出了高強(qiáng)發(fā)泡陶瓷，研究表明，在粉煤灰摻量50%、鉀鈉砂摻量27%、拋光渣摻量15%、膨潤(rùn)土摻量5%、碳化硅微粉摻量0.3%、滑石摻量3%，燒成溫度1 180 ℃、保溫50 min的條件下，可制得性能優(yōu)異的高強(qiáng)發(fā)泡陶瓷，這種陶瓷密度小，抗壓強(qiáng)度大。經(jīng)粉煤灰堿活化處理后的黏土與長(zhǎng)石等傳統(tǒng)材料混合制備的陶瓷，具有燒結(jié)溫度低、燒結(jié)范圍廣、抗折強(qiáng)度大和吸水性能優(yōu)異等特點(diǎn)[22]。

2.7 粉煤灰高附加值產(chǎn)品

空心微珠是一種在二十世紀(jì)五六十年代發(fā)展起來(lái)的新型微粒材料，從粉煤灰中提取出的空心微珠一般特指漂珠，漂珠具有普通粉煤灰無(wú)法比擬的優(yōu)良特性，如球形結(jié)構(gòu)、質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐高溫和絕緣等特點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于軍事、航空航天、物理、化學(xué)、機(jī)械、電絕緣等領(lǐng)域?？招奈⒅榭捎糜谥谱鞣浪苛希部勺魈畛洳牧?。路瑤等[23]研究發(fā)現(xiàn)，空心微珠作為一種新型無(wú)機(jī)填料，經(jīng)表面改性后，與發(fā)泡基體復(fù)合，可制備出新型復(fù)合泡沫材料；其與傳統(tǒng)發(fā)泡材料相比，具有質(zhì)輕且機(jī)械性能優(yōu)異的特點(diǎn)，在航空航天、深海開發(fā)及浮力材料等領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，粉煤灰不再是工業(yè)廢棄物，而是一種寶貴的“城市礦產(chǎn)”，其綜合利用對(duì)保護(hù)環(huán)境、提高經(jīng)濟(jì)價(jià)值、促進(jìn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。雖然我國(guó)粉煤灰的綜合利用技術(shù)在不斷進(jìn)步，但目前依然處于初級(jí)階段，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍有較大差距。因此還需要增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)，加大科研投入，注重產(chǎn)品的改造和開發(fā)，借鑒發(fā)達(dá)國(guó)家的成功經(jīng)驗(yàn)，吸取教訓(xùn)，探索新型粉煤灰綜合利用方法和工藝，努力提升其資源利用率。