改性粉煤灰對超細顆粒PM2.5的吸附研究

秦玉珠, 汪 寧, 魏麗丹，孟令麗, 王愛卿，馬宇亮

(黑龍江工業學院環境工程系，黑龍江雞西 158100)

改性粉煤灰對超細顆粒PM2.5的吸附研究

秦玉珠, 汪 寧, 魏麗丹，孟令麗, 王愛卿，馬宇亮

(黑龍江工業學院環境工程系，黑龍江雞西 158100)

本文以高嶺土和改性粉煤灰為原料，制備了一種多孔莫來石陶瓷基體，把莫來石陶瓷基體作為汽車尾氣過濾器中的吸附載體，研究莫來石陶瓷基體對汽車尾氣超細顆粒物PM2.5煙塵的吸附特性和去除效果。實驗結果表明莫來石陶瓷基體吸附材料對汽車尾氣排放的PM2.5有明顯的吸附性能。

高嶺土；粉煤灰；多孔莫來石陶瓷基體；PM2.5；吸附性

煤是當今中國最重要也是儲量最豐富的化石能源，占中國主要能源供應的70%以上。煤炭資源中有相當一部分用于火力發電，燃煤火電廠在保障我國社會、經濟高速發展的同時，向大氣排放了大量的細顆粒物PM10、PM2.5、CO2、SOx、NO以及眾多有害痕量元素，其中PM2.5被吸入人體后會直接進入支氣管，能引發包括哮喘、支氣管炎和心血管病等方面的疾病，這些顆粒還可成為病毒和細菌的載體，加速呼吸道傳染病的傳播。

近幾年來，國際上各個國家都將PM2.5作為大氣環境污染和控制研究的重點。國內外學者在燃煤鍋爐煙氣排放顆粒物控制方面已開展了一定的研究工作，如利用粉煤灰制備吸附劑和催化劑處理廢氣污染[1-6]，但對于利用改性粉煤灰吸附PM2.5的研究較為罕見。本文擬“以廢治廢”，用雞西市大唐燃煤火電廠排放的粉煤灰為主要材料，對粉煤灰進行改性，并在一定條件下與高嶺土焙燒制備莫來石陶瓷基體，研究陶瓷基體對汽車尾氣PM2.5顆粒物的吸附特性和去除效果。

1 實驗部分

1.1 實驗原料和儀器

1.1.1 實驗原料

本實驗所用的高嶺土取自雞西梨樹礦區，粉煤灰來源于大唐熱力發電廠，兩種原料化學組成見表1所示。

表1 高嶺土和粉煤灰的元素組成

1.1.2 實驗儀器

ALB-224型電子天平，DST-1200型智能馬弗爐，DHG-9101-3型電熱恒溫鼓風干燥箱，TAAM-2001A型原子吸收分光光度計，BT-9300Z型智能激光粒度分析儀，LD-5C(B)型微電腦激光粉塵儀，車輛尾氣排放模擬裝置，三元催化汽車尾氣過濾器。

1.2 樣品制備

1.2.1 粉煤灰改性

配制20%的鹽酸，按鹽酸與粉煤灰質量比2:1比例稱取一定量的粉煤灰，用鹽酸溶液將粉煤灰酸浸，并在加熱套上磁力攪拌3h之后用超純水清洗掉過量的鹽酸，放在電熱恒溫鼓風干燥箱干燥60min，放在研缽中研磨，過120目篩子，備用。

1.2.2 吸附載體的制備

稱取一定量的高嶺土，研磨并將其過120目篩子后，按酸浸粉煤灰與高嶺土質量比為3:7混合均勻，加入一定量超純水，用模具壓成型，在電熱恒溫鼓風干燥箱中干燥3天，在自然環境下繼續干燥2天，送入馬弗爐中高溫焙燒，將溫度設為900℃，待焙燒保溫2h后，將焙燒產物用砂紙打磨，超聲波清洗60min后自然干燥，將莫來石陶瓷基體作為吸附載體填充在汽車尾氣過濾器中，備用。

2 結果與討論

2.1 原料的選擇

改性粉煤灰和高嶺土以一定比例均勻混合后經過高溫焙燒生成結構穩定的莫來石多孔結構，結構見圖1所示。得到的莫來石陶瓷基體比表面積增大，并具有良好的吸附性能，所以選擇高嶺土與改性粉煤灰以適當比例混合制備莫來石陶瓷基體[7]。

圖1 莫來石的3D化學結構圖(引用于ICSD數據庫)

圖2 室外PM2.5濃度變化曲線

圖3 室內PM2.5濃度變化曲線

2.2 室內外PM2.5濃度值

在實驗樓室外，用LD-5C(B)型微電腦激光粉塵儀測定12h內空氣中濃度變化值見圖2所示。在第一實驗樓室20m2的密閉實驗房間內的PM2.5濃度變化值見圖3所示。

從圖2可以看出，一天中早高峰(早上8點前后)和晚高峰(晚上5點左右)大氣中PM2.5顆粒濃度值有上升趨勢，上午10點和下午7點PM2.5濃度值達到最高。根據2012年2月29日國務院批準發布的《環境空氣質量標準》(GB3095-2012)標準，PM2.5一級標準限值：年平均為15μg·m-3，24小時平均為35μg·m-3；其中一級標準適用于自然保護區、風景名勝區和需要特殊保護的區域；二級標準限值：年平均為35μg·m-3，24小時平均為75μg·m-3。其中二級標準適用于居住區、商業交通居民混合區、文化區、工業區和農村地區。由于實驗環境在大學中進行，應按二級標準執行，說明雞西地區PM2.5濃度超標。從圖3可以看出，PM2.5顆粒物濃度值維持在110μg·m-3左右，這是由于實驗室為封閉環境，PM2.5顆粒物濃度值維持平穩狀態。

圖4 室內汽車尾氣過濾前后PM2.5濃度值變化曲線

2.3 室內汽車尾氣過濾前后PM2.5濃度值

內燃機驅動的汽車會在燃燒燃料(本實驗燃料采用柴油)的過程中產生二氧化碳、一氧化碳、碳氫化合物(HC)，顆粒物(PM)，還有氮氧化物以及水。這里面氮氧化物會形成光化學煙霧，二氧化碳是溫室氣體，PM主要會影響人的呼吸系統。PM2.5只是汽車尾氣中的顆粒物中的一部分，是尺寸相對較小的那一部分，一般不可見，更容易被人吸收。PM2.5顆粒的組成是復雜的、動態的，它的主要成分燃料中硫燃燒后生成的硫酸銨、硝酸銨和未燃燃料有機顆粒等。各成分在微粒中所占的比例會不斷變化。車輛尾氣排放試驗是在一個模擬車輛行駛的轉股試驗臺上進行的，由于實驗在一個密閉的環境內進行，車輛尾氣排放試驗時間較長，發動機怠速運轉，使得三元催化器無法啟動，大量有毒尾氣一氧化碳會排放至密閉實驗室內可能導致檢測人員中毒，固本實驗尾氣排放實驗模擬5min后關閉實驗裝置測定PM2.5濃度值見圖4所示。在第二天相同的時間點，將裝有莫來石陶瓷基體的汽車尾氣過濾器安裝在車輛尾氣排放模擬裝置上，尾氣排放實驗模擬5min后關閉實驗裝置測定PM2.5濃度值見圖4所示。

可以看出經過高溫焙燒的高嶺土和改性粉煤灰的混合物制得的莫來石陶瓷基體能有效吸附汽車尾氣排放的PM2.5顆粒物，使PM2.5濃度值降低。隨著時間增長，PM2.5濃度值減小明顯。

3 結論

經過高溫焙燒的高嶺土和改性粉煤灰制得的莫來石陶瓷基體能有效吸附汽車尾氣排放的PM2.5顆粒物，隨著時間的累積，PM2.5顆粒濃度下降明顯。我們發現經莫來石陶瓷基體吸附后的PM2.5濃度值與國家排放標準仍有一定的距離，實驗裝置有待于改進，實驗條件有待于進一步的摸索探究。本實驗主要闡述了粉煤灰在大氣污染物去除方面的應用前景，從而為粉煤灰的綜合利用提供一種新途徑。

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On the Adsorption of Ultrafine Particles PM2.5by Modified Fly Ash

QIN Yu-zhu, WANG Ning , WEI Li-dan , MENG Ling-li , WANG Ai-qing , MA Yu-liang

(Department of Environmental Engineering, Heilongjiang Institute of Technology,Jixi Heilongjiang 158100, China)

Kaolin and modified fly ash were used as raw materials to prepare a porous mullite ceramic support in order to study its adsorption characteristics and removal effect for ultrafine particles PM2.5in automobile exhaust. The ceramic support was used as an adsorption carrier in automobile exhaust filters. The result shows that the adsorptive capacity of PM2.5by mullite ceramic support is obvious.

kaolin; fly ash; porous mullite ceramic support; PM2.5; adsorption

2013-10-30

2013年度黑龍江省教育廳高職高專院校科研項目(12535178)。

秦玉珠(1988- )，女，安徽阜陽人，黑龍江工業學院環境工程系助教，碩士，從事環境污染與防治研究。

X513

A

1008-178X(2014)01-0092-03