改性粉煤灰在水處理中的應用

張寒雪，趙艷鋒

（遼寧石油化工大學 化學化工與環境學部，遼寧 撫順113001）

改性粉煤灰在水處理中的應用

張寒雪，趙艷鋒

（遼寧石油化工大學 化學化工與環境學部，遼寧 撫順113001）

粉煤灰是一種可再次使用的工業固體廢棄物。利用粉煤灰處理污水，既可以實現經濟效益，又減少了粉煤灰對環境的污染。研究表明，直接以粉煤灰處理廢水，存在吸附容量小的問題。對粉煤灰的改性方法進行了綜述，并概括了改性粉煤灰在處理廢水方面的應用，指出了改性粉煤灰在廢水處理中存在的問題，同時對未來的發展方向進行了展望。

粉煤灰；改性；廢水處理；吸附

粉煤灰是燃煤發電過程中產生的固體廢棄物，燃燒1 t煤就會產生250～300 kg粉煤灰，我國每年排放 1億噸以上的粉煤灰，且逐年增加[1]。粉煤灰由于具有較好的吸附性、交換性、較大的比表面積與離子交換容量，已廣泛應用于污水處理中。[2]但粉煤灰吸附容量較低,有必要對其進行改性使其更適于廢水處理。因此近年來的研究多集中于粉煤灰的改性[3]。筆者綜述了粉煤灰的改性方法及在廢水處理中的應用，指出了粉煤灰在廢水處理中存在的主要問題，并且對未來的發展方向進行了展望。

1 粉煤灰的來源、組成與特性

粉煤灰，是從煤燃燒后的煙氣中收捕下來的細灰，是燃煤電廠排出的主要固體廢棄物。我國火電廠粉煤灰的主要氧化物組成為：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2，另外還有少量的稀有元素(As、Ba、Co、Cu、Pb、Mo、Ni)和未燃燒的炭粒[4-5]。由于粉煤灰的形成過程較特殊，其顆粒含有微小氣泡和微小活性通道，表面呈多孔結構，孔隙率通常為60%～75%，因此其具有較強的吸附能力，可以作為污水處理的吸附材料[6,7]。

2 粉煤灰的改性方法

粉煤灰主要是通過物理處理或化學處理對其進行改性,改性后粉煤灰的比面積增加,其表面和微孔的粗糙度發生改變，吸附性能增加。粉煤灰的改性方法主要有酸改性,堿改性,鹽改性，有機物改性，火法改性，微波改性等。

3 改性粉煤灰在水處理方面的應用

3.1 酸法改性粉煤灰

酸改性粉煤灰是采用酸浸(溶)法進行制備，采用的酸主要有：硫酸、鹽酸、硝酸和氫氟酸或采用一定比例的混合酸(鹽酸和硫酸)，經酸改性后的粉煤灰顆粒表面粗糙度增加，顆粒表面出現了許多大的孔洞，顆粒的比表面積增加[8]。

趙芝清等以鹽酸和硫酸作為改性劑，對粉煤灰進行了改性。鹽酸∶硫酸=1∶5，浸泡時間6 h，活化時間6 h，活化溫度250 ℃。在初始苯胺質量濃度為200 mg/L、氯化鈉質量分數為l5%、吸附時間為60 min的條件下，采用在最佳條件下制備得到的改性粉煤灰對

苯胺進行吸附，吸附量可達4.16 mg/g[9]。

相會強等用酸洗廢液對粉煤灰進行改性，所得的改性粉煤灰對抗生素廢水中的磷酸鹽的去除率達到98.82%～99.59%[10]。

張濤以粉煤灰為主要原料，在鹽酸、硫酸和混酸中改性，制備了三種改性粉煤灰，并利用改性后的對模擬含廢水進行試驗。在初始濃度為40 mg/L、pH=7、攪拌30 min、改性粉煤灰的投加量為1.0 g時，廢水中鉻的去除率可以達到90%以上[11]。

曹書勤等用鹽酸改性的粉煤灰作為吸附劑，處理亞甲基藍廢水，實驗結果表明,其對亞甲基藍的吸附效果很好, 用一定濃度的HCI對吸附后的粉煤灰進行再生，再生粉煤灰對亞甲基藍的去除率仍達到96%左右[12]。

張保柱用鹽酸浸泡制得酸改性粉煤灰,對50 mL濃度2 mg／L的羅丹明B模擬廢水，酸改性粉煤灰的最佳吸附條件是：在50 ℃下，加入0.09 g的粉煤灰，調節pH值為1.77，攪拌30 min。改性粉煤灰對羅丹明B吸附的脫色率可達98.19%[13]。

3.2 堿法改性粉煤灰

采用氧化鈣、氫氧化鈣、氧氧化鈉等強堿對粉煤灰顆粒表面進行活化改性，制得堿改性粉煤灰。粉煤灰處理前，表面比較細致光滑，經堿處理后，粉煤灰表面形成了類似棉質絮狀物質，并產生了空洞，粉煤灰的比表面積增大，吸附性能增強[8]。

伍昌年將NaOH溶液與粉煤灰混合后，室溫下攪拌，經靜置、烘干、碾磨，得到堿改性的粉煤灰。投加15 g/L處理苯酚質量濃度30.0 mg/L的模擬含酚廢水，當吸附時間為30 min，pH為6～7時，對苯酚去除率達98% ，吸附過程符合Freundlich公式[14]。

徐姝穎使用20%氫氧化鈉改性的粉煤灰對10 mg/L的含鉻廢水進行處理，吸附時間為120 min，室溫下，鉻吸附量可達0.177 mg/g。指出氫氧化鈉改性粉煤灰吸附鉻屬于物理吸附，并且符合二級反應動力學方程[15]。

段小月將粉煤灰用2 mol/L的NaOH溶液浸泡4 h，制得堿改性粉煤灰,用其對模擬剛果紅廢水進行脫色。實驗結果表明：對于1 L初始質量濃度為20 mg/L的剛果紅溶液、加入堿改性粉煤灰量50 g，脫色率達可87.52%；堿改性粉煤灰對剛果紅的吸附符合Langmuir等溫式和Freundlich等溫式，遵循二級反應動力學方程[16]。

3.3 鹽改性

張正紅用硫酸亞鐵和硫酸鎂對粉煤灰進行改性，制備了鐵鎂復合改性粉煤灰，并研究了原料配比對改性粉煤灰脫色性能的影響。用其處理模擬印染廢水和實際印染廢水，結果表明，脫色過程中絮體生成快、大而密實、易于泥水分離。模擬印染廢水和實際印染廢水的脫色率均大于90%[17]。

曾經等用Al(NO3)3浸泡粉煤灰，烘干后得到鹽改性的粉煤灰，對廢水中Cu2+離子去除率在90%以上[18]。

3.4 有機物改性

利用有機藥劑對粉煤灰進行改性還只是最近幾年剛開始的，且主要集中于國內。所使用的改性劑主要有溴化十六烷基三甲胺(CTMAB)、聚二甲基二烯丙基氯化銨( PDMDAAC) 等[19]。

賈小寧以PDMDAAC為改性劑，制備改性粉煤灰。最佳條件：反應溫度70 ℃、反應時間3 h、PDMDAAC質量濃度50 g/L、溶液pH=10，粉煤灰上的PDMDAAC負載量為0.98 mg/g；在分散藍初始質量濃度為50 mg/L，PDMDAAC改性粉煤灰加入量為4 g/L，吸附溫度為30 ℃的條件下，P分散藍的去除率可達98%。PDMDAAC改性粉煤灰對分散藍的吸附符合Langmuir吸附等溫式[20]。

陳廣春使用HDTMA(十六烷基三甲基溴化銨)對粉煤灰進行改性，并用其處理酸性嫩黃染料廢水。實驗表明，因為粉煤灰表面被改性劑HDTMA涂敷，使其表面電性改變，顯著增強了對酸性嫩黃的去除效果，廢水中酸性嫩黃去除率由13.2% 提高到95% 以上[21]。

王喜全用混酸（硫酸+鹽酸）和十六烷基三甲基溴化銨(CTMAB)對粉煤灰進行改性，并用改性后的粉煤灰吸附處理酸性橙模擬廢水。實驗結果表明，在酸性條件下CTMAB改性粉煤灰對模擬廢水的處理效果優于酸改性的粉煤灰。對于50 mL酸性橙模擬廢水，在CTMAB改性粉煤灰的投加量為1.2 g、pH為2、溫度為2O～30 ℃、吸附時間為30 min時，脫色率和COD去除率分別達到90.3%、78.5%[22]。

許凌子用TBAB(四丁基溴化銨)對粉煤灰進行改性后對印染廢水進行脫色處理。以印染廢水中存在的活性艷紅為處理目標，通過一系列試驗，確定較優的改性條件和脫色處理條件。試驗結果表明，在TBAB濃度為2.0 g/L，粉煤灰濃度為3.5 g/L，溶液pH為2，吸附時間為1 h時，脫色率可達到最高，為91.3%[23]。

3.5 火法改性

火法改性是將粉煤灰與助熔劑按一定比例混合，在一定高溫下熔融，使粉煤灰分解，然后與結晶劑混合，經過一系列的化學反應，制得改性粉煤灰。

吳斌將粉煤灰與助熔劑(Na2CO3)混合，在一定溫度下熔融，粉煤灰分解，然后將其與結晶劑(NaOH溶液)混合，經過一系列的化學反應，制得改性粉煤灰,用其處理煤礦礦井廢水，CODcr、 濁度、懸浮物和色度的去除率分別可達92.51%、99.02%、98.35%和95.0%[24]。

梁彥秋向粉煤灰中加入一定質量的氧化鈣，混勻，放入微波馬弗爐中，在高溫下灼燒一定時間，制得改性粉煤灰，用其處理酸性橙廢水,其對濃度為25 mg／L酸性橙的脫色率可達95.5%,且堿性條件有利于吸附反應的發生[25]。

3.6 微波改性

微波改性是在化學改性的同時,在一定功率下對其進行一定時間的微波輻照,得到微波輔助改性粉煤灰或對粉煤灰在不同微波功率下活化制得微波改性粉煤灰。

李環利用微波和Ca(OH)2對粉煤灰進行了改性處理，經過對含氟廢水進行處理，確定了微波—氫氧化鈣改性的最佳條件為：微波溫度80 ℃，微波時間15 min，微波功率600 W，氫氧化鈣反應時間8 h，氫氧化鈣溶液質量濃度為0.83 g/L，與氫氧化鈣反應溫度為40℃。在此改性條件下除氟率最高可達99.97%[26]。

緱星以濃度1.0 mol/L 的硫酸為改性劑，微波輔助制備酸改性粉煤灰吸附劑。結果表明：用硫酸用量為4 g/mL、微波功率400 W、微波時間8 min時制得的酸改性粉煤灰來處理含砷廢水，常溫下，當吸附劑用量10 g/L ，廢水pH=6，吸附時間30 min時，砷的脫除率可達90.29%[27]。

李章良將預處理后的粉煤灰在不同微波功率下活化一段時間,制得微波改性粉煤灰, 并對其在垃圾滲濾液深度處理中的吸附效果進行了研究。結果表明。對150 mL水樣，當吸附時間為100 min、pH為5.8、改性粉煤灰投加量為4g時，吸附反應效果最佳，此時垃圾滲濾液中的CODcr和色度去除率分別達46.05%和81.16%[28]。

4 展 望

用改性粉煤灰處理廢水是一種經濟有效的新技術，可以達到以廢治廢的效果，并且可以減少粉煤灰堆積對環境所造成的污染問題。但是，用改性粉煤灰處理廢水目前基本都處于實驗室研究階段和中試階段，還有許多問題需要解決：

（a）進一步提高改性粉煤灰的吸附性能，在較小用量下達到較高的處理效果，以便減少產生的污泥量。（b）應深入研究改性粉煤灰處理廢水的機理及動力學理論問題，為其廣泛應用于廢水處理提供理論依據。（c）改性粉煤灰處理廢水后形成的固體廢物多為危險廢物，應加強對使用改性粉煤灰后續處理與處置的研究，避免造成二次污染。（d）目前的研究多停留在實驗室階段，還有待于進一步加強中試乃至生產性試驗研究，對改性粉煤灰如何擴大到工業應用還未進行系統的探討，對設備的選擇、工藝的選取、工藝參數的確定等問題還需要進行更加深入的論證。

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Application of Modified Fly Ash in Water Treatment

ZHANG Han-xue, ZHAO Yan-feng
（ College of Chemistry, Chemical Engineering and Environmental Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001,China）

Fly ash is a kind of reusable industry solid waste. Using fly ash to treat waste water not only can achieve economic benefits, but also can reduce environment problems. The research shows that, if fly ash is directly used to treat wastewater, its adsorption capacity is low. In this paper, the fly ash modification methods were summarized, and application of modified fly ash in treating waste water was discussed. The problems existing in application of modified fly ash in wastewater treatment were pointed out, and its future development trend was prospected．

Fly ash；Modification；Wastewater treatment; Adsorption

X773

A

1671-0460（2014）10-2196-03

2014-07-01

張寒雪（1992-），女，遼寧丹東人，2014年畢業于遼寧石油化工大學環境工程專業，研究方向：環境工程 。E-mail：925724223@qq.com。

趙艷鋒（1978-），女，講師，碩士學位，研究方向：固體廢物利用及污水處理。E-mail：xiaofeng7867@163.com。