粉煤灰活化改性研究及復合吸附劑的制備

董娟 馬娟（銀川能源學院，寧夏 銀川 750105）

粉煤灰活化改性研究及復合吸附劑的制備

董娟 馬娟（銀川能源學院，寧夏 銀川 750105）

燃煤火電機組數量及容量的增加，使煤炭資源利用量增大，造成了大量粉煤灰的堆積，怎樣減少粉煤灰堆積對生態環境的負擔、實現粉煤灰資源化利用,已成為國內外研究的熱點。本文采用燃煤電站鍋爐運行過程中產生的粉煤灰為原料制備粉煤灰吸附劑，對其進行實驗研究。由于原狀粉煤灰的吸附性能不好，所以使用酸法及堿法對原狀粉煤灰進行一系列的活化改性實驗提高其吸附性能，并以粉煤灰作為載體，將錳和鐵這兩種元素作為活性組分摻雜在粉煤灰上，制備復合吸附劑。

粉煤灰；活化改性；吸附劑

我國的煤炭資源豐富，使得煤炭在工業燃煤鍋爐機組和一些與煤炭資源相關的工業領域中占有相當大的比例。工業燃煤鍋爐在運行過程中排出的廢棄物中有大量的粉煤灰，隨著電力行業的快速發展，整個社會的用電需求日益增多，這也間接導致了粉煤灰的排放規模不斷增加。粉煤灰的主要構成為二氧化硅和三氧化二鋁，其內部結構存在著多孔，所以可以成為催化劑或者吸附劑載體[1]。如何利用廉價易得的粉煤灰原料制備出吸附性能好、吸附容量大、吸附效率高的粉煤灰復合吸附劑,以廢制廢,變廢為寶，是未來粉煤灰吸附劑發展的趨勢。

1 粉煤灰綜合利用現狀

我國每年消耗的標準煤量約為11億噸，而我國粉煤灰每年排放量約為1.8億噸。據科學估計中國到達2020年，全國粉煤灰的總堆積量預計將會達到30多億噸[2]，而如此大量的粉煤灰堆積卻沒有一個合理的方法妥善處理。這些粉煤灰的堆積會嚴重污染地球大氣環境以及附近的水資源，危害周圍動物、植物的生長，破壞地球生態平衡。就眼前來說粉煤灰的資源綜合利用率不過50%-60%上下，而目前粉煤灰資源還只能在一些低附加值領域利用，比如土木建設工程基料以及城市農村土壤改良等領域中。在這些低附加值領域中粉煤灰的利用率根本趕不上粉煤灰排放量每年的新增速度，因此怎樣通過實驗研究來提高其在高附加值領域中的利用變得勢在必行。

2 粉煤灰作為吸附劑的優點

處理廢水和廢氣最為常見的一種方法就是吸附法，而在吸附法中最為常用的吸附材料就是活性炭，但是因為活性炭這種原料的急缺以及成本太高等原因讓活性炭的應用受到了比較大的限制。所以如何利用工業廢棄物和農業廢棄物作為原料，制備廉價和高效的吸附性材料代替活性炭是吸附材料研究的重要趨勢。

在工業廢棄物中具有良好吸附性能的材料中就包含了粉煤灰。Al2O3、SiO2、CaO、Fe2O3等（占總量的90%左右）是粉煤灰的主要組成成份，同時粉煤灰也含有一些小量的其他組分。粉煤灰是由大量形態各異以及結構的許多微粒組成的，孔隙率一般為60%～75%，而且比表面積比較大，一般在2500～5000m2/g，具有良好的吸附性能[3]。利用該材料，不但能保護環境，還能實現在高附加值領域對粉煤灰的利用。另外，粉煤灰價格相對低廉，所以在凈化煙氣方面也開始得到國內外專家的重視。通常，它可以吸附二氧化硫、二氧化碳和汞以及NOx等，大量實驗也證實具有很好的吸附效果[4]。

3 粉煤灰吸附劑的應用

利用廉價的粉煤灰作為吸附劑材料在煙氣治理中去除SO2、NOx、Hg、有機氣體、CO2以及脫除廢水中重金屬離子、P和F及有機化合物(如酚類、農藥、染料、石油烴類有機污染物)等領域中有非常廣泛的應用[5]。許多研究表明粉煤灰中的炭在沒有經過燃燒時在吸附這些污染物的過程中起到非常重要的作用。雖然理論表明,沒有經過處理的粉煤灰原料也會具有一定程度的吸附能力,但沒有經過處理的粉煤灰的吸附效果比較弱，結果并不太理想。在工業中沒有經過處理的粉煤灰想直接實現應用還不夠理想，這也就說明了對原狀粉煤灰進行活化改性研究勢在必行。

4 粉煤灰吸附劑的改性研究

4.1 活化改性

目前粉煤灰活化改性的方式有兩種：濕法以及火法。火法一般是按照一定的比例將助溶劑(一般為Na2CO3)與粉煤灰原料混合,然后再通過煅燒熔融在800～900℃的高溫下,破壞其晶格結構的穩定性，使其分解。濕法又可以分為酸法和堿法，兩種方法通常可以按不同種類的浸出劑來進行分別。酸法對硅、鋁的浸出率比較高，而且可以不用進行高溫處理。而堿法如果想得到比較高的硅、鋁浸出率就必須對粉煤灰進行高溫處理。

（1）酸改性

在實驗開始之前，需要將粉煤灰放置在150℃的環境中，對其進行干燥處理，時間持續8小時。然后在80℃環境下，使用36%的鹽酸溶劑，對已經干燥之后的粉煤灰進行水浴加熱攪拌，時間要控制在2小時，固液之間的比例為1：10，這樣就可以有效消除粉煤灰中的雜質及一些可發揮性物質。這樣處理后粉煤灰內部的硅鋁物質量比例得到顯著提升。之后對其進行過濾，使用離子水清洗，直到粉煤灰的PH值達到中性水平，接著進行堿改性。

（2）堿改性

在進行酸化改性之后，再對其進行堿改性。此時，可以使用6mol/L、8mol/L、10mol/L,12 mol/L這幾種不同濃度的NaOH溶液對其進行處理，分析其在不同濃度的氫氧化鈉的作用下，粉煤灰的顆粒、外部形態和組分等相關屬性的變化。

4.2 結果與討論

原狀粉煤灰進行改性實驗之后，通過表征和吸附測試，發現其吸附能力得到顯著提升，而之所以如此，就是其比表面積相對變大，而且沸石結構也開始出現。另外，硅鋁氧化物和硅酸鹽含量都會有所增加，這樣就會增強它的吸附力。比表面積增大，主要是因為通過酸化處理之后，雜質和可揮發物質顯著減少，另外在堿溶液的作用下，讓粉煤灰內部形成了沸石結構，這樣都會顯著提升相應的吸附力[5]。當然能否出現沸石結構，取決于堿溶液濃度是否達到某一定值。此外，硅鋁氧化物以及硅鋁酸鹽的增多，也能夠提升它的吸附效果。

5 粉煤灰復合吸附劑的制備

以粉煤灰作為載體，將錳和鐵這兩種元素作為活性組分摻雜在粉煤灰上，制備復合吸附劑，不僅能夠改善原狀粉煤灰的吸附性，還能夠增強其經濟效益。本文主要使用的是浸漬法，將Mn和Fe這兩種元素嵌入到粉煤灰上，從而制備相應的復合吸附劑，并對它的性能進行實驗分析。

5.1 實驗過程

首先，將硝酸鐵和醋酸錳裝入容量為50毫升的燒杯中，標定錳和鐵的總負載量為5.0%、10.0%和15.0%，之后分別與活化改性后的粉煤灰進行混合，使用水泥膠紗攪拌器進行處理，直到呈現干結狀態之后，將它們放到干燥容器中進行處理，處理的溫度控制在120℃，另外，時間要達到12小時。然后將它磨制成粉狀，并放至馬弗爐中進行煅燒，溫度要達到500℃，接著將處理完畢后的吸附劑使用100網目進行篩選，此時制備好的吸附劑需要存儲在相應的存儲裝置中，以備后續實驗使用。

5.2 實驗結果與討論

（1）比表面積表征

通常比表面積越大，吸附劑的活性就越強。對于錳、鐵等負載物的添加，分析它們對吸附劑比表面積的影響可以用比表面積測定儀測定，具體得到的結果如下表1所示：

表1 Mn-Fe-FA的吸附劑比表面積

（2）電子顯微鏡表征

BET的研究結果顯示，在負載一定量的錳和鐵元素之后，吸附劑的比表面積會增加，而之所以如此，是因為這些元素會引起吸附劑的表面發生微觀變化，比如顆粒的幾何形狀和團聚水平出現了一定的變化，如果使用顯微鏡進行分析，可以得到圖1所示：

圖1 FA和Mn（2）-Fe(3)-FA吸附劑在電子顯微鏡下樣品圖

（3）實驗結論

本次實驗綜合采用比表面積測定儀、電子顯微鏡這些表征儀器，分析Mn、Fe負載量對粉煤灰吸附劑比表面積的影響，得到以下結論：

①通過BET表征可以得知，在粉煤灰上負載錳和鐵元素時，它的比表面積會有顯著提升。可是當錳元素達到一定規模之后，比表面積又會進一步下降，從這點來看，影響吸附劑的能力，和比表面積的多少還沒有直接的關系。

②通過SEM表征分析，在吸附劑中適當的增添錳和鐵元素之后，會出現一定的團聚問題，如果錳和鐵附著在顆粒表層，那么該吸附劑的粗糙度會顯著提升，這表明，在改性之后的粉煤灰中添加相應的錳和鐵元素后，比表面積會有一定的增加。

6 結語

本文以原狀粉煤灰為原料，通過酸堿改性實驗有效的提高了粉煤灰的吸附性能，還通過浸漬法將元素Mn和Fe摻雜在粉煤灰上，考慮摻雜元素對吸附性能的影響。本文采用比表面積測定和電子顯微鏡等表征手段對吸附劑進行分析，闡釋了其吸附機理。在未來的發展中，因為粉煤灰排放日益增多，作為吸附劑材料價廉易得，對其進行綜合應用會變得越來越重要。

[1]王靜.煤灰顆粒吸附材料的制備及吸附性能的研究[D].中國海洋大學,2014.

[2]李嵐，馬曉蕾，宋春燕，等.淺談粉煤灰的環境污染及綜合利用現狀[J].科技與企業，2011(3);56

[3]王海霞,劉秉鉞.粉煤灰在造紙廢水處理中的應用[J].黑龍江造紙,2007,35(2):35-38.

[4]陸佳..以粉煤灰為原料采用兩步法制備ZSM-5分子篩的研究[D].東北石油大學,2015.

[5]陳彥廣,陸佳,韓洪晶,等.粉煤灰作為廉價吸附劑控制污染物排放的研究進展[J].化工進展,2013,32(8):1905-1913.

[6]張寶平,陳云琳,魏琳,等.粉煤灰的改性及其吸附性能的研究[J].硅酸鹽通報,2012,31(3):675-678.