粉煤灰資源化綜合利用研究進展及展望

李博琦， 謝賢， 呂晉芳， 朱輝， 黎潔， 康博文， 宋強

1.昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明 650093；2.省部共建復雜有色金屬資源清潔利用國家重點實驗室，云南 昆明 650093；3.云南省金屬礦尾礦資源二次利用工程研究中心，云南 昆明 650093；4.云南緣礦科技開發有限公司,云南 昆明 650093

1 引言

中國是世界煤炭資源大國，也是世界最大的煤炭產出國和消費國，2019年我國煤炭總產量為37.5億t，同比上年增長4.2%，占全球煤炭總產量的47.3%，進口量為3億t，消耗量占全球的51.7%。目前，我國仍以煤炭為主要能源，且在未來長時間內能源結構不會發生改變，每年一半以上的煤炭資源用于燃煤發電，煤炭燃燒過程中會排放大量粉塵和有害氣體，對人體健康和生態環境造成嚴重的危害[1.2]。而粉煤灰作為燃煤后產出的主要固體廢棄物因長期堆積占用了大量的土地資源，2020年我國粉煤灰的預計累積堆積量將達30億t[3]，且粉煤灰的有害元素經雨水沖刷會對周圍水資源和土壤環境造成嚴重的影響，其揚塵也會對大氣造成嚴重污染。

近年來，隨著我國社會主要矛盾的轉化，人民賴以生存的生態環境問題備受關注。2019年，習總書記提出了生態文明思想的六項原則，要貫徹新發展理念，統籌好經濟發展和生態環境保護建設的關系。因此，粉煤灰環境污染問題的重視程度也日益提高。由于粉煤灰具有獨特的物化性質且富含多種有價金屬元素，是一種可綜合利用的二次資源。粉煤灰的綜合利用不僅可創造可觀的經濟效益，也緩解了環境污染問題，實現煤炭產業可持續發展。目前我國粉煤灰主要應用于建筑、環保和農業領域，在提取有用組分及高附加值利用領域的利用率不足5%[2]，整體綜合利用率較低。本論文針對我國粉煤灰的物化性質和綜合利用現狀進行了綜合論述，分析了我國粉煤灰資源化利用的前景及存在的問題，對推動我國粉煤灰高效綜合利用和礦產資源的可持續發展具有重大意義。

2 粉煤灰物化性質及分類

2.1 粉煤灰的物理性質

粉煤灰是煤在高溫燃燒后產生的一種銀灰色或灰色的粉狀顆粒物，由細小實心或空心無定型玻璃微珠及少量炭組成。不同種類的燃煤及不同的燃燒方式會得到具有不同物理性質的粉煤灰。粉煤灰的粒度從1微米至數百微米不等，我國粉煤灰的平均粒度小于20 μm[4]，比表面積范圍在1 500～3 600 cm2/g，平均比重約2.1 g/cm3[5-6]。粉煤灰的共同特點：球形多孔結構，具有較好的滲透性，毛細現象強烈。

2.2 粉煤灰的化學性質

粉煤灰主要由 SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO等氧化物組成，并含有少量未燃炭殘渣[7]。由于燃煤種類及燃燒條件的差異，粉煤灰中主要氧化物的含量變化范圍很大，主要氧化物的含量見表1[8]。通常煙煤和無煙煤燃燒產生的粉煤灰中的CaO、MgO、SO3含量相比褐煤和亞煙煤所產生的要低，但SiO2、Al2O3含量及燒失量較高[9]。

表1 粉煤灰主要氧化物含量范圍

2.3 粉煤灰的分類

依據粉煤灰化學組成的差異性，粉煤灰可被分為多種類型。我國依據粉煤灰中氧化鋁含量的不同將粉煤灰分為高鋁粉煤灰和普通粉煤灰。高鋁粉煤灰中Al2O3含量占45%～65%，Al2O3和SiO2總含量在80%左右；普通粉煤灰中Al2O3含量通常低于27%，SiO2含量在50%左右[10]。美國材料與試驗協會(ASTM) 根據粉煤灰中氧化物及燒失量差異將粉煤灰劃分為C型和F型粉煤灰，F型粉煤灰中的CaO含量一般介于1%～12% ，原料主要為煙煤或無煙煤，而C型粉煤灰中的CaO含量高達30%～40%，原料主要為褐煤或亞煙煤[9-11]。保加利亞學者Vassilev依據粉煤灰中氧化物含量及應用途徑將粉煤灰分為硅鋁質、鈣硅鋁質、鐵硅鋁質及鐵鈣硅鋁質4種類型的粉煤灰[12]。

3 粉煤灰綜合利用現狀

近年來，粉煤灰的綜合利用越發備受關注，不僅可以減少占地，也緩解了其對生態環境造成的污染，同時還可以創造可觀的經濟效益。由于粉煤灰具有特殊的物化性質以及富含多種有用組分，被廣泛應用于有用組分提取、高附加值利用、建筑材料、農業和環保等領域。目前我國粉煤灰主要應用于建筑材料、農業和環保領域，工藝簡單，技術較為成熟，且消耗量大。在有用組分提取和高附加值利用領域仍處于起步階段，存在著技術不成熟、工藝復雜且無法實現工業化等問題。

3.1 有用組分提取

粉煤灰中富含空心微珠、磁珠、殘炭、氧化鋁和稀有金屬元素等有用組分，是一種可綜合利用的二次資源。根據其物化性質差異，利用選礦分離技術，可以有效地將粉煤灰中有用組分提取出來。提取質后的粉煤灰可以用于建筑領域，工程效果更佳。

3.1.1 提取空心微珠

空心微珠主要由二氧化硅和金屬氧化物組成，具有質輕高強、耐高溫、絕緣性好等特性，廣泛應用于航空航天、耐火保溫和絕緣材料制造等領域[13]。燃煤種類、煤質、燃燒溫度及燃燒方式等因素直接影響空心微珠的形成。K、Na、S、P含量低且發熱量高的煙煤，空心微珠的產出量較大，無煙煤形成的空心微珠量較少。由于空心微珠的質輕且比重小于1，通常采用濕選法利用空心微珠的可浮性從粉煤灰排放池的表面漂浮物中提取，李云凱[7]等首先對電廠粉煤灰進行高壓沖洗預處理，使灰珠分離，然后利用空心微珠較好的可浮性進行浮選，進一步提純，得到優質產品。近年來，隨著越來越多的電廠采用干排以保證粉煤灰的活性，干選法是一種提取粉煤灰中空心微珠的有效手段，風力選礦作為干選法可以有效地將粉煤灰的空心微珠分離出來[7]。根據電廠排放粉煤灰的方式，可以選擇不同的分選方法對其進行有效回收。

3.1.2 提取磁珠

煤炭中的硅鋁組分在高溫燃燒過程中，成熔融狀態，與磁性鐵礦物結合，冷卻后形成玻璃相磁珠，其中Fe2O3的含量相對較高。磁珠在工業上應用較為廣泛，在重介質選煤中被用作新型加重質，因其球體結構流動性好，在懸浮液中具有較大的容積濃度[17]，也可對磁珠表面進行改性制備吸附劑的復合材料[18]。Jiang等利用C3H4O2與C3H5NO作為交聯劑，通過對磁珠表面改性，合成一種具有選擇性的復合材料，用于去除廢水中的重金屬離子[19]。目前我國多采用干式磁選對粉煤灰中的磁珠進行回收，該方法高效、節能并且環保，但磁珠產品中常常夾雜脈石礦物。濕式磁選雖能有效回收粉煤灰中的磁珠，但該方法耗水量大，且90%的粉煤灰作為尾礦被濕排，回收困難，同時會產生廢水[15-16]。可以考慮先干式磁選后濕式磁選對其進行回收，先采用干式磁選可以避免濕式磁選尾礦濕排難回收和產生廢水等問題發生，后濕式磁選可以很好地解決脈石夾帶問題，進而提高磁珠產品的品質。

3.1.3 提取炭

火力發電廠煤燃燒較為充分，產出的粉煤灰中殘炭含量一般較低。但部分煤鍋爐因運行條件和煤種的不同導致煤燃燒不充分，殘炭含量可達到10%～30%。殘炭含量的高低直接影響粉煤灰在建筑、陶瓷等領域的應用。從粉煤灰中回收殘炭可提高粉煤灰綜合利用效率，且殘炭具有吸附性可用于處理廢水，也可以用于脫硫脫氮[20]。提取粉煤灰中的殘炭通常使用浮選法和電選法。任琳珠等[21]用浮選從粉煤灰中提取出了優質精炭，浮選后的粉煤灰中含碳量僅為2.41%，大大提高了粉煤灰品質。電選法是利用殘炭和粉煤灰在高壓電場中導電性能差異進行分離和富集[22]，粉煤灰作為非導體物質在電暈電場中獲得電荷，但釋放較慢，被吸在圓筒表面。而殘炭的導電性較好，在電場中獲得電荷后很快得到釋放，受重力和離心力的共同作用被拋出，進而回收殘炭[23-24]。

3.1.4 提取氧化鋁

近年來，我國氧化鋁市場需求量逐年遞增，高品位鋁土礦資源短缺，人們紛紛將目光轉向了價格低廉的高鋁型粉煤灰，其Al2O3含量高達45%～65%。目前，多采用燒結法或濕法回收粉煤灰中的氧化鋁。燒結法主要有石灰石燒結法、堿石灰燒結法和純堿燒結法，石灰石燒結法主要以石灰作燒結劑，孫培梅等[25]利用該方法回收了粉煤灰中的氧化鋁，首先將粉煤灰與石灰石混合，在1 300～1 400 ℃高溫下焙燒，然后在其熟料中加入碳酸鈉溶液，將碳酸鈣和硅酸鈣分離，所得液相再經脫硅除炭和焙燒處理，最終獲得氧化鋁。石灰石燒結法技術較為成熟，工業化應用早，但工藝復雜，能耗高，燒結過程中添加大量的石灰會產生大量廢渣，對于鋁硅比較低的原料，渣量更多，嚴重限制其推廣。堿石灰燒結法[26]主要以Na2CO3和石灰的混合物作燒結劑，燒結溫度較前者低，且產品純度高，其主要反應式如式(1)～(3)。堿石灰燒結法一定程度上降低了燒結溫度，渣量較少，鈉鹽可溶性更高，除雜更容易，有利于保證產品純度。純堿燒結法[26]使用Na2CO3作燒結添加劑，在900 ℃ 以下進行焙燒，所得熟料中Na2SiO3經酸處理形成硅膠，濾液使用氨水和氫氧化鈉沉淀除鐵，再次添加適量酸將偏鋁酸鈉轉化為 Al(OH)3沉淀，沉淀烘干焙燒即可得到納米級氧化鋁。純堿燒結法可以實現粉煤灰中多種金屬的綜合回收，但大量的硅膠導致過程中酸耗大且過濾困難，鐵鋁硅分離難度大，目前仍未實現工業化。

Al2O3+ Na2CO3→2NaAlO2+ CO2↑

(1)

SiO2+ 2CaO→Ca2SiO4

(2)

Al2Si2O13+ 4CaO + 3Na2CO3→
2Ca2SiO4+ 6NaAlO2+ 3CO2↑

(3)

濕法常使用H2SO4或HCl浸出粉煤灰中的氧化鋁，Valeev 等[27]對粉煤灰酸浸提取氧化鋁做了研究，在溫度 200 ℃、HCl濃度 345 g/L、固液比15的最佳條件下，氧化鋁的浸出率高達 90%～95%。2004年我國學者研發了“一步酸溶法”[28]，并于2012年實現工業化生產，氧化鋁產品質量超過國家冶金級氧化鋁一級品標準，屬國際首創，其工藝流程如圖 1 所示。該法工藝能耗較低、成本低、實現了酸的循環利用、環境友好，具有較好的經濟、社會及環境效益。

圖1 “一步酸溶法”工藝流程

3.1.5 提取稀有金屬元素

粉煤灰中除含有Al、Fe外，還含有少量的 Ge、Ga、U等稀有金屬元素。目前，國內外針對煤灰中稀有金屬元素的研究重點主要是其賦存情況，稀有金屬元素的浸出和萃取以及酸浸液中稀有金屬元素的分離。學者們利用萃取、酸浸等方法成功從粉煤灰中提取出了稀有金屬元素。Kamran等[29]使用甲基三辛基氯化銨萃取劑從粉煤灰浸出液中萃取得到Ge，我國某公司也成功地從粉煤灰中提取出了高純度的 Ge[30]。Josiane[31]等使用濃HCl浸出回收稀有金屬元素，研究了在不同酸濃度下稀有金屬元素的溶解度，當HCl濃度為2. 5 mol/L時，稀有金屬元素的浸出率最高。李超等[32]總結了在鹽酸體系下Ga的提取技術，主要包括萃取法、吸附法、分子印記法，利用TBP為萃取劑提Ga，Ga的回收率達到85.74%。Gidwani等[33]制備了異羥肟酸類杯芳烴螯合樹脂用于吸附鹽酸體系中的Ga，鎵的回收率達到98.9%。目前，從粉煤灰中提取稀有金屬元素還難以大規模地應用到工業中，仍存在稀有金屬元素含量低難富集、相關技術不成熟、現有技術成本過高和富集率低等問題。

3.2 高附加值的應用

粉煤灰高附加值應用是未來綜合利用的主要發展途徑，隨著科技發展，技術逐步趨向成熟。高附加值應用才是粉煤灰綜合利用程度的最好體現。目前我國粉煤灰高附加值應用技術尚不完善，主要應用于合成沸石分子篩、地質聚合物、催化劑載體、陶瓷和橡膠等領域。

3.2.1 合成沸石分子篩

沸石分子篩是一種被廣泛應用于催化、吸附、過濾、離子交換等領域的硅鋁酸鹽多孔材料。由于粉煤灰的化學成分與合成天然沸石的火山原料相似，且粉煤灰本身具有多孔結構，孔容小，因此，國內外研究人員紛紛選擇廉價且富含硅鋁的粉煤灰作為原料，進行了大量粉煤灰合成沸石分子篩的研究。目前合成沸石主要方法有堿熔融水熱合成法、微波輔助合成法和酸蝕合成法。Hyland等[34]采用堿熔水熱法制備了4A分子篩，呈立方體結構，孔徑均勻且分布窄，比表面積高達到605.6 m2/g。Bukhari等[35]采用微波輔助法成功將粉煤灰合成了沸石分子篩，比表面積相對較高。李辰晨[36]利用酸蝕法制備了MS-C分子篩，具有較好的熱穩定性，且工藝簡單易操作。合成沸石分子篩是綜合利用粉煤灰的有效途徑，該過程工藝簡單、能耗低、污染小，具有廣泛的應用前景。

3.2.2 合成地質聚合物

地質聚合物是一種由無機四面體[AlO4]和[SiO4]為基本結構的新型堿激發膠凝材料[37]，富含硅鋁的粉煤灰是生產地質聚合物的原料來源之一。地質聚合物的生產能耗僅約為水泥(OPC)生產能耗的60%，CO2的排放量僅為OPC的 1/6，被認為是硅酸鹽水泥的理想替代品，廣泛應用于高強建材和建筑材料[38]。具有較好的耐久性、抗滲性、抗侵蝕性和抗風性。相比普通硅酸鹽水泥，由于具有較細的孔結構，粉煤灰基地聚物對氯離子滲透有很好的抑制作用。但由于地聚物呈堿性，容易與空氣中CO2發生反應生成鹽，存在風化現象。學者們對其抗風化進行了大量研究，發現加入富鋁添加劑和納米SiO2，提高固化溫度，延長固化時間，降低含水量，可以很好地避免風化現象的發生[39.40]。

3.2.3 合成陶瓷材料

粉煤灰與黏土和長石等陶瓷原料化學成分相似，且在形成過程中，原煤中黏土類物質經燃燒向玻璃質轉變。因此，粉煤灰被認為是替代黏土制備陶瓷的優良原料。我國粉煤灰主要用于制備傳統陶瓷、泡沫陶瓷和陶瓷玻璃。傳統陶瓷常采用粉末壓實燒結技術進行生產，通過調節粉煤灰、黏土和長石的摻量配比，再經高溫焙燒得到合格產品。制備泡沫陶瓷須進行發泡處理，嚴格控制工藝條件。陳芳[41]以硼酸和硫酸作為發泡劑，通過調節粉煤灰、玻璃粉和瓷粉的摻量配比，制得抗壓強度達到8.01 MPa 的優質泡沫陶瓷，且氣孔率大、耐高溫和耐腐蝕。Kniess等[42]利用粉煤灰合成Li2Al2Si3O10三元體系的陶瓷玻璃，不僅成本低，而且形成的納米晶體結構，具有優良的機械性能。

3.2.4 合成催化劑載體

粉煤灰主要由SiO2、Al2O3和Fe2O3等氧化物組成，具有多孔結構、比表面積大和熱穩定性好等特性，常用作合成多相催化的催化劑載體。王臣等[43]以粉煤灰為載體，采用溶膠-凝膠法一步合成負載型TiO2光催化劑，并進行了可見光催化降解亞甲基藍試驗，亞甲基藍溶液脫色率達到95%。還有學者研究發現粉煤灰中的Fe3+可以加快光催化反應，對非光催化降解也有促進作用[44]。負載 Fe3+的改性粉煤灰催化劑有機物催化降解性能優良，在一定條件下，對活性藍181的催化降解具有較好的效果[45]。施云芬等[46]通過在由粉煤灰和膨潤土混合制成的載體上負載釩氧化物制備出了煙氣脫硝催化劑，脫硝率高達89%。目前粉煤灰有機合成催化劑成為了熱門研究，利用化學方法制備具有較好選擇性的有機催化劑。Mazumder 等[47]用KOH對F型粉煤灰進行活化，制備出富含羥基活性位的固體堿催化劑，二亞芐基丙酮的轉化率得到了提高。

3.2.5 橡膠填料

粉煤灰中富含氧化鋁、氧化硅和氧化鈣等氧化物，具有密度小、強度高等特性。近年來研究人員開辟了一種粉煤灰綜合利用的新途徑，將粉煤灰充填于橡膠材料中，提高橡膠材料整體的性能。大量研究表明：改性粉煤灰中的硅鋁酸鹽替代了黏土，SiO2可替代白炭黑起增量補強的作用，Al2O3和CaO可替代碳酸鈣在橡膠中起增量作用[48]。Alkadasi等[49]首先使用硅烷偶聯劑對粉煤灰進行改性，處理后填充天然橡膠，大大提高了橡膠拉伸強度和硬度。魏雅娟等[50]研究了不同種類粉煤灰對丁苯橡膠補強性能的影響，發現固硫粉煤灰補強丁苯橡膠復合材料的定伸應力、拉伸強度、斷裂伸長率、撕裂強度性能優于普通粉煤灰。

3.3 在建筑工程領域的應用

粉煤灰除了在提質和高附加值利用領域的應用外，我國最主要的應用途徑是用于建筑工程領域，例如：水泥生產、混凝土添加劑和路基建設等方面。由于粉煤灰具有特殊的物化性質，摻雜粉煤灰的建筑材料抗壓、抗折強度和耐久性都有所提高。

3.3.1 水泥生產

目前，我國粉煤灰綜合利用最大的途徑就是應用于水泥工業。粉煤灰中富含SiO2、Al2O3和CaO等活性物質，與黏土的化學成分相似，主要以生料配料和混合材料的途徑應用于水泥生產。粉煤灰替代黏土與石灰石和鐵粉混合制備水泥生料，再經焙燒處理生產水泥熟料，在該過程中能耗低且活性氧化鈣更易生成[51]。在普通硅酸鹽水泥中加入粉煤灰，有助磨作用，且細磨后的粉煤灰活性增強，更容易與水生成膠凝物質，使其生產出的水泥強度高，抗折、抗壓能力強[52]。董玉萍等[53]在水泥土中摻入高鈣粉煤灰，通過正交試驗發現粉煤灰的最佳摻量為20%，NaOH的激發效果最好，最佳用量為1%～1.5%，水泥前期強度得到了提高。崔靖俞等[54]研究了粉煤灰用量對水泥滲透性的影響，首先使用Na2SiO3對粉煤灰預處理，激發其活性，在水泥土中加入激發粉煤灰大大提高抗滲透性能。而水泥土摻量低，嚴重影響水泥產品的抗滲性能，水泥摻量至少在60%以上。利用粉煤灰生產水泥在創造較高經濟效益的同時也緩解了環境問題，降低了水泥生產成本并且提高了水泥的整體性能。

3.3.2 混凝土添加劑

粉煤灰因具有火山灰活性常用于與砂石和水泥混合制備混凝土。研究表明，在混凝土配料中加入一定比例的粉煤灰制備的混凝土強度大，抗滲性和耐腐蝕性都有所提高[55]。另外粉煤灰主要以球形微珠的形式存在，遍布在混凝土的空隙中，有效改善混凝土的和易性，增加了其密實度。楊靜靜等[56]研究了粉煤灰摻量對C50自密實混凝土的性能影響，粉煤灰摻量30%～40%可以有效改善混凝土的流動性，工作性能有所提高。當摻量超過40%，強度以及耐久性較差。Shi等[57]研究了在粉煤灰混凝土中加入硫酸鈉和氯化鈣等活化劑，加快了粉煤灰與石灰間反應，縮短了混凝土固化時間，增強了粉煤灰混凝土的強度。Ankur等[58]研究了粉煤灰基堿活化混凝土，結果表明鈣基水合產物CSH凝膠和CASH與聚合產物NASH并存，從而使堿活化黏合劑的基質更加致密，裂縫和孔隙空間較小，壓縮強度增加了約52%，吸水性和氯離子滲透率分別減少了35%和78%。

3.4 在農業領域的應用

粉煤灰在農業方面也得到了廣泛應用。由于粉煤灰具有多孔結構和較大的比表面積，常被用于土壤改良；還因富含多種植物生長所需的營養元素，被用于生產肥料，大大降低了肥料的生產成本，且肥效好。

3.4.1 改良土壤

因粉煤灰具有多孔結構、粒度小和比表面積大等特性，且富含多種微量元素，在農業中常用于改良土壤。適量摻雜在黏土性質的土壤中，具有良好的透氣性。摻雜在砂石性質的土壤中，具有固水保濕的作用。粉煤灰呈堿性，可用于酸雨地區或酸性土地調節土壤的酸堿度。粉煤灰中也富含B、Zn、Mn、Fe、Cu、Mo等微量元素，可以補充土壤的營養成分，為農作物提供營養物質，促進農作物生長和提高作物產量[59]。在重金屬污染地區，粉煤灰的鈍化效果顯著，通過對粉煤灰改性，改變其表面結構，釋放活性，生成具有較強離子交換性能的硅酸鹽或鋁硅酸鹽，與土壤中Pb、Cu、Cd等重金屬離子發生不可逆的離子交換吸附[60]，進而改良土壤。

3.4.2 生產肥料

粉煤灰中有含有P、N、K 等植物生長所必需的營養元素和B、Zn、Mn和Fe等促進作物增產的微量元素，可替代肥料中部分添加劑，通過加工制作成促進農作物生長的復合化肥。目前，由粉煤灰加工而成的化肥主要有磁化肥、硅鉀肥、硅鈣肥和氮磷肥[3]。磁化肥通過在粉煤灰中添加適量的氮磷鉀肥料，在磁場場作用下成型的一種新型肥料，營養物質豐富，該肥料因有剩磁，可改善土壤結構，維持土壤中水分穩定，促進植物根系對營養物質的吸收[61]。硅鈣肥作為一種堿性肥料常用于酸性土壤農作物種植。胡兆平等[62]將粉煤灰和磷尾礦或低品位磷礦混合，高溫熔融合成磷肥，且具有較高的Ca、Si含量。粉煤灰肥料與傳統肥料相比，成本低、肥效好、肥效長、改良土壤且環保，具有較高的經濟效益。

3.5 在環境保護領域的應用

粉煤灰在環境保護領域也有應用。利用粉煤灰的物化特性，常用于處理廢水和廢氣，可通過改性大大提高其物理、化學吸附能力，對廢水中的重金屬離子有較好的吸附效果，對煙氣脫硫、脫氮能力較強。也常被用于礦井回填，避免了地質災害的發生。

3.5.1 廢水處理

粉煤灰的比表面積較大、松散多孔，且內部含有大量的硅鋁鈣活性基團，具有較好的物理、化學吸附能力。通過改性處理，也具有絮凝和過濾作用。因此，粉煤灰被廣泛應用于廢水處理。對廢水中無機物、有機物、染料和Hg2+、Pb2+、Zn2+等重金屬離子都有較好的吸附效果，在處理含油廢水也有較好的除油效果[63-64]。對于處理富含磷酸鹽的廢水常使用高鈣粉煤灰，磷酸鹽在溶液與高鈣粉煤灰界面發生多層吸附[65]，具有較好的吸附效果。胡紅勇[66]等以粉煤灰為原料制備了針對廢水中Pb2+的吸附劑，Pb2+的去除率可達到99%以上。經堿改性后的粉煤灰[67]對Cu2+的去除率可高達99%。而經酸改性后的粉煤灰對廢水中COD的吸附率達80%以上，磷的去除率達到95%[68]。

3.5.2 廢氣處理

近年來，研究人員對粉煤灰在煙氣中脫硫、脫氮進行了大量試驗探索。粉煤灰富含CaO、MgO、Fe2O3、K2O、Na2O等堿性物質，可用于凈化酸性廢氣。同時粉煤灰具有多孔結構，比表面積較大，增大固氣接觸面積，大大提高了反應速率，可作為煙氣脫硫和脫硝的吸附劑，且高鈣粉煤灰自身具有脫硫效果。加入粉煤灰的脫硫劑脫硫效果優于傳統純石灰脫硫劑，這是因為氣-固反應中吸附劑比表面積的大小是反應速率的主要決定因素。干式粉煤灰脫硫技術通過在石灰和石膏或用過的脫硫劑中加入一定比例的粉煤灰進行混合攪拌、擠壓成形、蒸汽活化，制成圓柱狀顆粒脫硫劑，脫硫率達到了90%以上[69]。粉煤灰中殘留碳經過活化或改性對煙氣中NOX也有較強的吸附效果[70]，該吸附劑孔隙率高且強度高，可以去除工業廢氣中82%的NO[71]。Pinoso[72]等研究了粉煤灰對甲苯氣體的吸附作用，熱活化后的粉煤灰具有較好的吸附效果。

3.5.3 礦井回填

在礦產資源開采過程中，礦井坍塌等環境地質問題時有發生，對人們的生命財產造成巨大的威脅。粉煤灰作為一種固廢可替代傳統充填材料進行地下礦井回填。由于粉煤灰粒度較細，常與鵝卵石或地表廢石混合后填充礦井，增強了采空區硬度且具有防水效果。還可用于回填煤礦坍塌區域，也可以灌漿廢棄的地下礦點[73]。在采煤礦井回填中，常使用粉煤灰和煤矸石作為充填骨料，煤矸石經破碎后，向其內加入粉煤灰、減水劑和膠凝劑，合成膠結料漿進行井下充填，避免了地質災害的發生[74]。粉煤灰在礦井密閉方面也有應用，由于粉煤灰遇水易與Ca(OH)2發生反應[75]，生成一種強度高、耐久且具有水硬膠凝性能的化合材料，在礦井內形成密封墻體，具有較好的穩定性、密封性和耐久性。

4 結論與展望

我國是以煤炭為主要能源的國家，粉煤灰作為燃煤產物經長期堆積，現積存量巨大，占用大量土地資源并對自然生態環境產生嚴重的影響。粉煤灰資源化利用至關重要，創造經濟效益的同時環境問題得以解決。目前我國粉煤灰主要廣泛應用于建筑建材、農業和陶瓷等低附加值的領域。而在回收粉煤灰中磁珠、氧化鋁及稀有元素等有價組分和制備沸石分子篩、催化劑載體等高附加值利用領域仍處于實驗室研究階段，資源綜合利用率較低。未來粉煤灰利用開發仍需要注意以下幾點：

(1)粉煤灰細化分類，加大對不同煤種和不同燃燒條件產出的粉煤灰特性的研究，根據粉煤灰的物化性質進行細化分類，為日后粉煤灰綜合利用提供科學依據。

(2)我國經濟發展已經入新常態，經濟已從高速度發展向中低速轉化，建筑行業將面臨巨大挑戰，而國內粉煤灰主要應用于建筑材料，會導致粉煤灰在建筑行業中的需求放緩。

(3)我國粉煤灰仍處于低附加值利用階段，粉煤灰中含有豐富的有價元素，是很好的二次資源，回收粉煤灰中的有價組分是實現礦產可持續發展的必要途徑，分離后的粉煤灰綜合性能更佳。

(4)目前，我國粉煤灰高附加值利用領域仍處于試驗探索階段，仍存在技術問題，應加大深入研究力度，逐步向工業化應用邁進。

(5)未來粉煤灰的綜合利用應突破固有的應用結構和途徑，在此基礎上開發更精細化、高端化和高附加值的綜合利用新途徑，優化產業結構，形成粉煤灰綜合利用產業鏈，實現其最大限度的開發和利用。