改性粉煤灰在水处理中的应用进展

贾艳萍，贾心倩，姜 成，刘 斌，唐建龙

(东北电力大学化学工程学院，吉林吉林132012)

粉煤灰主要指火力发电厂煤炭燃烧排出的固体废弃物。随着我国电力工业的大力发展，粉煤灰的排放量也不断加大［1］。统计显示，我国粉煤灰的年排放量达1.6亿吨，但其利用率仅为30%左右，是我国当前排量较大的工业废渣之一［2］。目前粉煤灰的利用主要用于建设工程、道路工程及作为填筑材料等方面［3］。近年来，许多学者发现粉煤灰孔道多、比表面积大且具有吸附性能，可作为一种新型材料用于水处理领域［4－6］。但粉煤灰直接用于水处理，其吸附性能较差，因此需对粉煤灰进行改性处理。本文就粉煤灰的改性及其在水处理中的应用进行综述，并对粉煤灰的未来发展方向进行了展望。

1 粉煤灰性质

粉煤灰是灰白色或灰色的粉末状物质，其性质主要取决于燃煤种类、煤粉细度、燃煤方式及排灰收集方式等。粉煤灰的主要化学组成如表1所示［7］，其中SiO2、Al2O3占77%左右，此外还含有少量的Fe2O3、CaO、TiO2等。粉煤灰由许多微粒组成，呈多孔蜂窝状，其平均几何粒径约为40 μm，密度约为2.1 t/m3，堆积密度780 kg/m3，孔隙率一般为70%左右，比表面积约为25－50 dm2/g，具有较强的吸附能力［8］。因此，可广泛用于水处理领域。

表1 我国火电厂粉煤灰主要化学成分(%)

2 粉煤灰在水处理中的应用

粉煤灰处理废水污水，主要取决于粉煤灰的吸附机理(物理吸附、化学吸附和离子交换吸附)［9，10］。物理吸附主要是通过分子间引力的作用，粉煤灰孔道越多，比表面积越大，其吸附性能越好，吸附是放热反应，因此可自发进行。化学吸附与离子交换吸附往往是同时发生的，粉煤灰中的Si2+、Al3+、Fe3+等活性强，可与吸附剂发生化学反应，形成离子交换，有时也可形成沉淀，通过混凝沉淀去除杂质。

基于粉煤灰的吸附特性，近年来粉煤灰已逐渐应用于染料废水、含酚废水、含砷废水、焦化废水、重金属离子废水及生活污水等的处理。粉煤灰对染料废水的脱色效果较好，Papandreou等［11］直接利用粉煤灰处理甲苯胺蓝，并研究阴、阳离子型表面活性剂对其吸附特性的影响。结果发现，由于甲苯胺蓝所带电荷与阳离子型表面活性剂所带电荷相同，两者互相竞争，使得甲苯胺蓝的吸附特性下降，若采用阴离子型表面活性剂，则粉煤灰对甲苯胺蓝的吸附性大大提高。王湖坤等［12］对粉煤灰处理含砷工业废水进行了研究，考察了吸附时间、温度、粉煤灰投加量对处理效果的影响，最终确定最佳工艺条件为:时间60 min、温度25℃、投加量0.05 g/mL时，砷的去除率为87.0%，与其它工艺相比，利用粉煤灰的吸附特性直接处理，工艺简单且成本低，但形成的污泥中富含砷，会对环境造成二次污染，因此必须对污泥进行再处理。

表2 粉煤灰处理不同类型废水一览表

生活污水中富含有机物、色度、磷等污染物，主要呈胶体状，粉煤灰与污染物充分接触，利用其吸附特性及粉煤灰孔道的截留作用，可对生活污水进行处理。董树军等［13］早在1997年就利用粉煤灰处理生活污水，研究了粉煤灰对生活污水中COD的吸附，验证了粉煤灰对于生活污水处理的可行性，虽然粉煤灰的去除率(86.0%)小于活性炭的去除率(95.5%)，但活性炭成本高，且不可再生，而粉煤灰本身为废弃物，无成本，且可达到以废治废的目的。表2为近年来粉煤灰直接处理污水废水的研究，表明粉煤灰对水处理的可行性［14，15］。

2.1 改性粉煤灰应用于水处理

粉煤灰的改性主要有湿法和火法两种。湿法包括酸法和碱法，火法是将粉煤灰与碱熔剂按一定比例进行高温活化，其主要目的都是使粉煤灰中的Si2+、Al3+、Fe3+等浸出，对水中污染物进行吸附、混凝。

图1 原灰与改性粉煤灰对刚果红脱色率的比较

2.1.1 湿法改性粉煤灰的应用

用NaOH等碱性物质进行粉煤灰的改性，将两者混合，会直接破坏粉煤灰中的硅酸盐物质，使粉煤灰表面微孔变大，比表面积增大。酸改是直接利用酸浸出粉煤灰中的活性物质，使表面孔洞增多，比表面积增大。段小月等［16］研究了改性粉煤灰对刚果红的吸附，如图1所示:分别采用沸水浸泡、酸改、碱改及加热的方法进行粉煤灰的改性，利用FTIR仪测定粉煤灰的成分、XRD仪分析其官能团的变化。结果表明，改性前后粉煤灰的FTIR谱图无明显变化，而经碱改的粉煤灰在28.12°处出现新的衍射峰，说明有新的物质生成，经碱改后粉煤灰对刚果红的去除率为87.52%。

刘艳军等［17］对含铬废水进行了处理，用2mol/L的硫酸进行粉煤灰的改性，改性后粉煤灰表面由球状变为凹凸不平的孔洞，Si2+、Al3+、Fe3+大量浸出，比表面积增大，在pH为2－3的条件下，六价铬去除率为90%，且分析了影响六价铬去除率的因素，分别为初始质量浓度、pH值、吸附时间及吸附剂用量等。伍昌年等［18］利用NaOH处理粉煤灰，探讨了pH值、吸附时间、投加量、吸附温度及苯酚初始浓度对苯酚去除效果的影响，实验表明，苯酚去除率高达98%，进一步验证了改性粉煤灰对处理苯酚废水的可行性。此外，粉煤灰还可去除污水厂废水中的磷［19］，将粉煤灰进行酸改后，结果表明，经酸改的粉煤灰净化效果比原灰高，磷的去除率可达98.7%，出水中磷浓度为0.043mg/L，改性后对磷的最大吸附量达4.37mg/g，出水达到《污水综合排放标准》QB8978—1996一级标准。

2.1.2 火法改性粉煤灰的应用

孙莹［20］研究了钢渣及改性粉煤灰对含铬废水的研究，将钢渣磨碎待用，因钢渣中含Mn、Fe等有害离子会对水体造成二次污染，因此进行含铬废水的处理前，必须先预处理，但工艺繁琐，且去除效果不好，仅为64.17%，而经高温活化的粉煤灰，孔隙率大大提高，体积膨胀，比表面积增大，可直接吸附水中铬离子，并且在改性粉煤灰投加量为0.1 g/mL时，去除率为99.42%，远远高于钢渣及原灰去除率。黎苇等［21］研究了粉煤灰的改性及其对亚甲基蓝溶液的吸附性，将粉煤灰与ZnCl2混合均匀，高温煅烧1 h，经处理后用于亚甲基蓝的脱色试验，其最佳吸附条件为溶液初始浓度10 mg/L、粉煤灰加入量10 mg/L、pH为5、吸附温度25℃，最终亚甲基蓝降解率为86.24%，脱色率为82.76%。

2.1.3 其它改性粉煤灰的应用

粉煤灰除通过酸改、碱改及高温活化外，也可使用其它试剂对其进行改性。陈广春［22］利用HDTMA(十六烷基三甲基溴化铵)对粉煤灰进行改性，并吸附处理酸性嫩黄染料废水，发现改性剂HDTMA覆盖在粉煤灰表面，使粉煤灰表面电性改变，增强了其对酸性嫩黄染料的吸附，去除率达到95%以上。王宇等［23］以火电厂固废粉煤灰为主要原料研制沸石，并用稀土镧进行改性处理，将沸石加入氯化镧溶液中，以150 r/min恒温处理24 h，洗至中性，烘干进行吸附试验，用以强化其脱氮除磷能力，研究了改性剂浓度、投加量、pH值的影响，用SEM分析技术对合成沸石进行了表征。结果显示:粉煤灰表面为光滑均匀的球状体，而合成产物呈晶型特征，表面微孔增多，改性后对氨氮和磷的最大吸附量为3.94和1.65 mg/g，去除率分别为90%和95%。

3 结 论

粉煤灰作为一种新型材料应用于水处理领域，其来源广泛、价格低廉、且具有以废治废的优点，相比其它水处理技术前景广阔。改性粉煤灰的开发利用，使粉煤灰在水处理领域的地位进一步提升。但有关粉煤灰吸附容量的研究还有待深入，且粉煤灰中含有微量有害重金属离子，这些金属离子的浸出会造成二次污染。因此，对于这方面还需特别的关注，随着实验技术及设备的不断更新，粉煤灰在水处理领域的推广和应用必将得到进一步拓展。

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