粉煤灰資源綜合利用現狀研究*

劉夢茹，楊亞東，楊素潔，劉新亮，張 冰，王 浩，劉秀玉，唐 剛

(1.安徽工業大學 建筑工程學院，安徽 馬鞍山243032；2.中冶華天工程技術有限公司 節能環保研究院，安徽 馬鞍山243005)

0 引言

粉煤灰是電廠鍋爐燃燒后從煙氣中收集的細灰，主要成分是二氧化硅和三氧化二鋁以及少量三氧化二鐵、氧化鈣、氧化鎂、氧化鈉、氧化鉀和氧化硫等。隨著電力消耗的增加，粉煤灰排放量也逐年增長。我國2017年粉煤灰產量為6.86億t，2018年為7.15億t，2019年為7.48億t，2020年預計為7.81億t，2024年將達到9.25億t[1]。大量的粉煤灰露天堆放不僅占用土地，而且還會破壞土壤的酸堿平衡，污染水體和空氣，給環境造成沉重壓力。如果我國能夠將堆積的粉煤灰進行合理的資源化利用，不但能有效解決環境污染問題，還能夠創造巨大的經濟價值，實現資源的高價值化利用。

1 粉煤灰性質

1.1 粉煤灰物理性質

粉煤灰通常情況下為灰白色或灰黑色，粒徑常在0.5～300.0 μm[2]，視密度在1.0～1.8 g/cm3，密度在2.1～2.6 g/cm3。粉煤灰的細度和粒度與其性質密切相關。粉煤灰的表面光滑，多為球狀和不規則狀，使其在松散狀態下具有良好的滲透性，其滲透系數比黏土大幾百倍。在外載負荷作用下，粉煤灰具有一定的壓縮性[3]，其壓縮形變與黏土相比較小。

1.2 粉煤灰化學性質

粉煤灰是一種人造火山灰[4]混合材料，其本身無水硬膠性能，但當以粉末狀與水存在時，能在一定條件下與石灰(氫氧化鈣)或其他堿性金屬氧化物發生水化反應，生成具有硬膠性能的化合物，變成一種能提高強度和耐久性的原料。

2 粉煤灰綜合利用現狀

當前我國擁有近200項關于粉煤灰綜合利用的技術，其中70項得到了實施應用，主要用于建筑、化工、環保、農業、造紙、陶瓷等領域。

2.1 粉煤灰在建筑方面的應用

粉煤灰作為建筑材料有幾個特點：性質易分析、存在球狀顆粒、能夠與混凝土搭配、利用量大、利用范圍廣、利用程度高。粉煤灰在建筑方面的使用量占利用總量的45%左右[5]，主要產品有：粉煤灰水泥(摻量30%以上)、混凝土、普通水泥、墻體材料、路基填料、硅酸鹽承重砌塊和小型空心砌塊、燒結陶粒、燒結磚等。

2.1.1 粉煤灰用于制作水泥

用粉煤灰制作水泥，可節省工程造價。磷酸鎂水泥是一種新型無機硬性膠凝材料，具有早強高強、耐高溫、黏結長久、凝結硬化快等優點，常被用于結構加固、橋面道路的快速搶修。將粉煤灰摻入磷酸鎂水泥，既實現了固體廢棄物的資源化利用，又降低了水泥的生產成本。李十泉等[6]研究了水灰比、粉煤灰摻量對磷酸鎂水泥試件強度的影響，結果表明，在水灰比為0.17、粉煤灰摻量為10%時，試件強度和施工性較好，1 d抗折、抗壓強度分別達到了5.3、25.9 MPa；由此可知，在水泥中加入粉煤灰不僅能夠提高其凝固性，而且具有較好的抗壓、抗彎、防水性能。因此，粉煤灰在水泥生產中具有良好的應用前景。

2.1.2 粉煤灰用于制作混凝土

根據氧化鈣含量的高低將粉煤灰進行分類：高于10%為C類粉煤灰，低于10%為F類粉煤灰。C類粉煤灰具有一定的水硬性，常摻入水泥等膠凝材料來制備混合材料，F類粉煤灰常被用作混凝土摻料[7]代替部分水泥。在混凝土中摻入適量粉煤灰，能提高混凝土的密實度，從而增強其和易性、力學性能和抗滲性。馬江萍[8]經過試驗確定的雙摻混凝土最佳配比為：凝膠材料摻量為15%、水泥-粉煤灰質量比為2∶1，利用該配比澆筑的混凝土樁對軟土地基進行改良，復合地基平均承載力達493.63 kPa。大量試驗結果表明：在混凝土中加入適量粉煤灰，能夠改進混凝土的性能、提升混凝土強度、節省成本，經濟效益顯著。

2.1.3 粉煤灰用于制作磚與砌塊

磚與砌塊是建筑外墻常用的材料，與燒結黏土磚相比，粉煤灰砌塊具有容重小、強度大、導熱系數小等優點。建筑業中常用的粉煤灰磚主要有2種：①蒸養粉煤灰磚。以粉煤灰和石灰為原料，摻入適量石膏和骨料并按一定比例配制，在常壓蒸汽養護下制成；這種材料保留了粉煤灰的隱性化學活性，具有水硬性，在環境中與水發生水化反應，使磚結構更加密實，較一般磚料有更好的強度、硬度及穩定性，并且能大量生產，未來可能替代現在主要使用的黏土磚；②燒結粉煤灰磚。在黏土中摻入粉煤灰，經過配料、攪拌、干燥和焙燒而成，適用于工業與民用建筑的承重和非承重墻體，磚的質量要比黏土燒結磚小，還具有成本低、燒結快、產量高等優點，符合我國產業政策要求，值得推廣使用，是非承重墻體材料的替代品之一[9]。

2.2 粉煤灰在化工方面的應用

由于粉煤灰中所含的大量SiO2、Al2O3、TiO2等氧化物是常用的催化劑載體，因此粉煤灰也被廣泛應用于催化劑領域。另外粉煤灰經過高溫燃燒后化學性質極其穩定，亦可作為載體用于脫硫、脫硝、制氫等。李穎穎等[10]以粉煤灰為載體，對其進行了預處理，高溫煅燒后制備出了改性粉煤灰，利用該催化劑進行了降解羅丹明B廢水實驗，結果表明：實驗最佳條件是pH=7、改性粉煤灰投加量為0.2 g、羅丹明B起始質量濃度為2 mg/L，用可見光照射120 min后，羅丹明B幾乎全部被降解。經過活化和預處理，粉煤灰較未處理時具備更好的催化效果，因此粉煤灰可以應用于化工領域。

2.3 粉煤灰在環保方面的應用

2.3.1 粉煤灰用于合成沸石

因粉煤灰沸石具有架狀結構和特殊的孔道結構，故其擁有較強的離子吸附性能、離子交換性能和較大的離子交換容量，可用于污水處理、氣體分離與凈化、土壤改良等。曾正中等[11]通過堿熔融-水熱合成法制成了A型沸石，堿融法是指將堿和粉煤灰混合后進行高溫處理，使其充分得到活化，然后進行水熱合成沸石；廢水處理實驗結果表明，合成沸石對廢水中Cr3+的去除率達到99%，同時COD和氨氮的去除率在70%左右。李喜林等[12]利用粉煤灰沸石的吸附性對含鉻廢水進行了處理，結果表明，在Cr3+質量濃度為100 mg/L、pH為9.07的廢水中加入15 g粉煤灰沸石，吸附60 min后，Cr3+的去除率達到99.62%。隨著工業的迅速發展，氮氧化物及VOCs大量排放，造成了大氣污染，很多學者用粉煤灰沸石對空氣污染物進行了吸附，獲得了一定的去除效果。楊文煥等[13]采用堿熔融-水熱法合成了粉煤灰沸石，并采用TEM、XRD、SEM等檢測手段研究了粉煤灰沸石對氨氮的吸附性能，結果表明，P型沸石的比表面積為148.81 m2/g，pH在6～8，吸附時間30 min，氨氮的去除率可達68.2%。

2.3.2 提取氧化鋁

粉煤灰中含有大量的氧化鋁，質量分數一般在17%～35%，部分地區為40%～60%，從粉煤灰中提取氧化鋁可以緩解我國鋁土礦資源短缺的問題。從粉煤灰中提取氧化鋁的方法主要有酸法、堿法、酸堿聯合法。ZHANG等[14]從粉煤灰中回收了鋁，并用碳酸鈣對其進行了活化，結果表明，微波加熱碳酸鈣能釋放95%的鋁，與傳統的熱活化相比，微波活化使燒結溫度降低近400 ℃，反應時間縮短20倍。王宏賓等[15]采用“一步酸溶法”經配料溶出、沉降分離、凈化、蒸發結晶、焙燒以及酸回收等步驟，得到了質量分數達99.3%的氧化鋁，反應時間縮短了20倍，在800 ℃恒溫熱處理1 min的最佳工藝條件下，Al2O3提取率可達95%。蔣訓雄等[16]采用酸堿聯合的方法從高鋁粉煤灰中提取了氧化鋁，主要步驟有濃硫酸熟化、水浸、濃縮結晶、還原焙燒。該工藝的氧化鋁提取率為92.44%，且氧化鋁的品質較好。

2.4 粉煤灰在農業方面的應用

粉煤灰的顆粒形態賦予了其易被吸收的特點，而粉煤灰又富含大量對農作物有益的微量元素，因此粉煤灰可為農作物提供營養成分，促進農作物生長。有關研究表明，粉煤灰中雖然含有一定量的鉻、鉛、汞等對農作物有害的重金屬，但當其施用量小于4.5 kg/m2時并不會對土壤產生不利影響[17]。龐喆等[18]將粉煤灰和有機肥混合使用，發現混合肥能提高土壤表層7.5 cm處的溫度，相較于其他處理方式，混合肥利用率最大為23.52 kg/(hm2·mm)，2 年的玉米產量每平方米也提高了75%。除此之外，粉煤灰還可以作農藥配制的載體，能除草滅蟲，與水為載體相比，粉煤灰農藥具有極好的可視性，且能夠使農藥效果更好、藥效更持久。粉煤灰在農業方面應用的特點，為其今后的綜合利用提供了新思路。

2.5 粉煤灰在造紙方面的應用

粉煤灰粒徑較大，加工后可作為造紙填料，節省原木消耗。HORIUCHI等[19]使用細小粒徑的粉煤灰作填料研究了紙張的透光性能，發現在紙張中加入粉煤灰可提高其透光性，但因紙張白度低，可應用于對白度要求較低的紙中，且該類型的紙張強度高于高嶺土作填料的紙張強度。此外，粉煤灰可制成粉煤灰纖維，粉煤灰纖維紙張的物理性能與植物纖維紙張不相上下，但在耐水、耐高溫、防火、防腐、防蛀等方面優于植物纖維紙張。

2.6 粉煤灰在陶瓷方面的應用

粉煤灰中含有Al、Si、Fe和Ca等元素，可作為陶瓷的優良原料，且粒徑更細，能省去破碎和研磨工序，節省時間。張冬梅等[20]以粉煤灰、高嶺土和山皮土為主要原料，用碳化硅(SiC)作發泡劑，采用原位發泡法制備了泡沫陶瓷，結果表明，當燒成溫度為1 300～1 400 ℃、發泡劑SiC摻量為4%～6%時，可制備出孔隙率高、密度小、孔徑均勻的泡沫陶瓷，這種陶瓷與傳統陶瓷相比具有氣孔率高、比表面積大、耐腐蝕等優點。楊景琪[21]等用粉煤灰和陶瓷廠的拋光渣為主要原料，輔以鉀鈉砂、滑石助融，加入膨潤土增加料漿黏度，以碳化硅微粉作為發泡劑，在固定的耐火匣缽中采用粉料堆積法制備出了高強發泡陶瓷，研究表明，在粉煤灰摻量50%、鉀鈉砂摻量27%、拋光渣摻量15%、膨潤土摻量5%、碳化硅微粉摻量0.3%、滑石摻量3%，燒成溫度1 180 ℃、保溫50 min的條件下，可制得性能優異的高強發泡陶瓷，這種陶瓷密度小，抗壓強度大。經粉煤灰堿活化處理后的黏土與長石等傳統材料混合制備的陶瓷，具有燒結溫度低、燒結范圍廣、抗折強度大和吸水性能優異等特點[22]。

2.7 粉煤灰高附加值產品

空心微珠是一種在二十世紀五六十年代發展起來的新型微粒材料，從粉煤灰中提取出的空心微珠一般特指漂珠，漂珠具有普通粉煤灰無法比擬的優良特性，如球形結構、質量輕、強度高、耐高溫和絕緣等特點，因而被廣泛應用于軍事、航空航天、物理、化學、機械、電絕緣等領域。空心微珠可用于制作防水涂料，也可作填充材料。路瑤等[23]研究發現，空心微珠作為一種新型無機填料，經表面改性后，與發泡基體復合，可制備出新型復合泡沫材料；其與傳統發泡材料相比，具有質輕且機械性能優異的特點，在航空航天、深海開發及浮力材料等領域，具有廣闊的應用前景。

3 結語

隨著科學技術的發展，粉煤灰不再是工業廢棄物，而是一種寶貴的“城市礦產”，其綜合利用對保護環境、提高經濟價值、促進社會可持續發展具有重要的現實意義。雖然我國粉煤灰的綜合利用技術在不斷進步，但目前依然處于初級階段，與發達國家相比仍有較大差距。因此還需要增強創新意識，加大科研投入，注重產品的改造和開發，借鑒發達國家的成功經驗，吸取教訓，探索新型粉煤灰綜合利用方法和工藝，努力提升其資源利用率。