利用粉煤灰制備分子篩吸附VOCs的進(jìn)展

向金 霍詩凡

（西京學(xué)院土木工程學(xué)院，陜西西安 710123）

0 引言

揮發(fā)性有機化合物VOCs 作為污染空氣環(huán)境的重要因素，已經(jīng)成為當(dāng)下改善環(huán)境質(zhì)量的重點治理對象。VOCs 是指常溫常壓下具有易揮發(fā)性、高飽和蒸氣壓的一類有機物質(zhì)的總稱，主要包括醇酮類（丙酮、異丙醇、乙酸乙酯、甲醇）、芳香烴（甲苯、二甲苯、乙苯）和烷類（乙烷、丙烷）等典型有機物，它同臭氧、一氧化碳、二氧化硫和可吸入顆粒物并列為我國五大大氣污染組分。

我國VOCs 治理工作相對落后。本文參考國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，主要針對利用粉煤灰制備分子篩在吸附VOCs 中的應(yīng)用展開敘述，特別是粉煤灰改性、制備分子篩的方法、分子篩的吸附等內(nèi)容進(jìn)行綜述，并提出了目前該領(lǐng)域面臨的一些問題及未來發(fā)展方向。

1 揮發(fā)性有機化合物概述

VOCs 的來源較為廣泛，大自然和人類各類生產(chǎn)和生活活動均會產(chǎn)生VOCs，自然界VOCs 的釋放主要來自植物體，而石化、煤化工、涂料、油漆、橡膠、藥品以及各種化工生產(chǎn)過程是人類生產(chǎn)和生活活動中涉及排放揮發(fā)性有機廢氣污染物的主要行業(yè)。經(jīng)過多年的研究發(fā)現(xiàn)，有些VOCs 是無毒無害的，但是大部分VOCs 是帶有毒性的，黎煥珍[1]曾指出揮發(fā)性有機化合物（VOCs）會對人體和環(huán)境帶來很大的不利影響，VOCs 中包括一定量的乙烯、丙烯等化合物，當(dāng)濃度達(dá)到一定量時，還容易發(fā)生火災(zāi)隱患。

2 粉煤灰概述

煤炭經(jīng)燃燒或轉(zhuǎn)化后會產(chǎn)生一種固廢物質(zhì)，這種固廢物質(zhì)被稱為粉煤灰，它的化學(xué)成分由煤炭所擁有的品質(zhì)決定，煤源的不同造成了粉煤灰化學(xué)成分的差異顯著，而二氧化硅、氧化鋁、氧化鐵是粉煤灰的主要成分，其中SiO2和Al2O3占總含量的60%以上，此外，粉煤灰中還含有少量的有害元素，如As、Mn、V、Pb 等。粉煤灰一般是灰白色的粉狀顆粒，大多是堿性的，主要呈球形，具有火山灰性質(zhì)，在室溫下可與水和氫氧化鈣形成膠凝產(chǎn)品，也是一種外加劑。粉煤灰的化學(xué)性質(zhì)較為復(fù)雜，在很大程度上受所燒煤的性質(zhì)以及使用的處理技術(shù)的影響，其物理化學(xué)特性也有所不同，主要因煤質(zhì)、燃煤方式、收集方式等有所差異，粉煤灰還具有化學(xué)活性，其化學(xué)組分及含量、顆粒細(xì)度、燃燒溫度、收集放松等因素會影響粉煤灰的活性。目前，我國粉煤灰的利用率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于日本、歐盟等國家，僅有60%左右。

3 分子篩概述

人類最早于十八世紀(jì)五十年代發(fā)現(xiàn)了天然沸石，是一種天然的硅鋁酸鹽材料，經(jīng)過人工在一定的條件下合成的則稱為分子篩，有時也被稱作沸石分子篩。天然沸石是在特定的條件下形成的，主要是由火山中存在的幾類巖石演變而來，具有豐富的孔道結(jié)構(gòu)、大比表面積以及晶體的結(jié)構(gòu)和特征等特性。分子篩的化學(xué)組成通式可表示為M2/nO·Al2O3·xSiO2·yH2O，其骨架的最基本結(jié)構(gòu)是SiO4和AlO4四面體，通過共有的氧原子相結(jié)合而形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的結(jié)晶，構(gòu)成了大小可進(jìn)行調(diào)控的空洞和孔道，正是這種獨特的結(jié)構(gòu)使分子篩具有選擇吸附性的功能。分子篩孔道內(nèi)的孔徑大小接近于分子尺寸，大致可分為微孔分子篩、介孔分子篩和大孔分子篩三類。

4 粉煤灰制備分子篩吸附VOCs

4.1 粉煤灰改性

由于粉煤灰本身吸附容量不高，對其改性使其適用于不同的用途，經(jīng)過多年的研究，在粉煤灰的改性和處理方面已經(jīng)有了很多成熟的方法，但是幾乎所有的改性方法都是基于增大粉煤灰的比表面積和增加粉煤灰的孔隙率來進(jìn)行的。

改性方法的不同最終也會導(dǎo)致粉煤灰有不同的改性效果和應(yīng)用領(lǐng)域。目前常用的改性方法大致分為兩類，即物理改性法和化學(xué)改性法。其中物理改性法包括機械磨細(xì)改性、高溫?zé)岣男?、微波改性、金屬化表面改性以及超聲波改性；化學(xué)改性法包括火法改性、水熱法改性、酸改性、堿改性、鹽改性、氧化鈣改性、偶聯(lián)劑改性、陽離子改性等[2]。

4.2 粉煤灰合成分子篩的方法

在合成分子篩的研究過程中，最早出現(xiàn)且技術(shù)最完善的方法是水熱合成法。自從Holler 開始著手研究用水熱合成法合成分子篩以來，許多專利和論文相繼提出了不同的水熱活化方法。王春峰等[3]運用堿熔融法成功合成了NaX 與NaA 型的沸石，并將合成的沸石與商品沸石作對比，發(fā)現(xiàn)NaX 和NaA 型的沸石有很大的潛在應(yīng)用價值，并且大量的使用不會對環(huán)境造成污染。隨著粉煤灰源分子篩技術(shù)的不斷發(fā)展，更多粉煤灰合成分子篩的方法將不斷涌現(xiàn)，越來越多的新技術(shù)、新方法將應(yīng)用到水處理、廢氣治理、精細(xì)化工等多個工業(yè)領(lǐng)域。

4.3 分子篩吸附VOCs

近年來，已有研究者在利用分子篩制備低成本、高成效的VOCs 吸附材料方面開展了相關(guān)研究，Zhao等[4]比較了MCM-41、活性炭和沸石分子篩對VOCs吸附性能，MCM-41 表現(xiàn)IV 型吸附曲線，適合較高濃度VOCs 吸附；而微孔的活性炭和沸石表現(xiàn)I 型吸附曲線，在較低濃度下對VOCs就有很好的吸附性能。

5 存在的問題及展望

國內(nèi)外研究者們對粉煤灰制備分子篩的研究仍在繼續(xù)，一些技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，并研究出了不同吸附性能的分子篩，為粉煤灰資源化利用和為環(huán)境優(yōu)化提供了新途徑。分子篩在解決吸附VOCs 問題上已經(jīng)有了很大突破，但是仍有很多問題考慮得不夠周到，需要進(jìn)一步探討：可探討當(dāng)多種VOCs 氣體同時存在于某一環(huán)境中，分子篩作為吸附材料對其吸附性能的影響，這樣能更好地探討吸附材料在工業(yè)上的應(yīng)用能力，為實際應(yīng)用提供切實可行的處理方案；其次，以粉煤灰制備的各種分子篩的可再生性一直以來缺乏相關(guān)的理論和試驗研究，須盡快找出一種高效吸附材料，并探討不同沸石分子篩對VOCs 的吸附容量和選擇性；最后，如何更好的優(yōu)化或簡化制備條件，開創(chuàng)低成本的制備方法，獲得具有潛在工業(yè)應(yīng)用前景的沸石分子篩關(guān)鍵技術(shù)，仍是具有挑戰(zhàn)性的課題。