粉煤灰控失肥的制备及其铵氮溶出特性的评价

钟书华，何 瑜，李 玲，宋功武，沙淮丽

(1.湖北大学 有机功能分子合成与应用教育部重点实验室，湖北 武汉 430062；2.武汉诺唯凯生物材料有限公司，湖北 武汉 430062)

粉煤灰是煤或煤粉燃烧后的细粒分散状残余物，具有一定的吸附性，主要产生于电厂的煤粉炉以及沸腾炉[1]。粉煤灰是我国当前排量较大的工业废渣之一，随着电力工业的发展，燃煤电厂的粉煤灰排放量逐年增加，给我国的国民经济建设及生态环境造成巨大的压力。如何综合利用粉煤灰，是电力生产企业急待解决的任务之一。

控失肥作为一种新型肥料，由于具有较强的控制养分流失的能力，能将肥料养分有效地固定在土壤中，不仅可减少化肥用量，而且可以大幅提高肥料利用率，同时减轻了铵氮挥发所造成的温室效应，还解决了营养元素流失带来的农业污染的问题[2]。因此，研究发展控失肥具有重大的现实意义。

由于粉煤灰含有多孔玻璃体、多孔炭粒，呈多孔性蜂窝状组织结构，比表面积较大，同时还具有活性基团、吸附活性高[3]，可通过加热改性、碱改性、酸改性、含A13+或Fe2+等离子的溶液改性等方法提高其利用附加值[4]，其中制备粉煤灰控失肥是一条可行的途径。以粉煤灰为原料制备控失肥，不仅可以实现对废物的综合利用，还具有明显的经济效益和社会效益。作者在此以粉煤灰为原料，通过一系列改性工艺制备化肥控失剂，将控失剂和化肥按一定比例混合造粒，制得粉煤灰控失肥，并对该控失肥的铵氮溶出特性进行了评价。

1 实验

1.1 材料、试剂与仪器

粉煤灰，发电厂。

所有试剂均为分析纯；实验用水为二次蒸馏水。

X19233型箱式电阻炉，北京市永光明医疗仪器厂；Twd-T型调温磁力搅拌器，武汉科学仪器设备有限公司；UV-2300型紫外可见分光光度仪，上海天美科学仪器有限公司。

1.2 粉煤灰控失肥的制备流程(图1)

用粉煤灰制备粉煤灰控失肥的工艺流程见图1。

图1 制备流程示意图

其具体流程如下：

(1)预处理：粉煤灰过200目筛，磁选除铁。

(2)焙烧：配料在马弗炉中850 ℃下焙烧2～3 h。

(3)酸化：在搅拌条件下，将焙烧后的粉煤灰投入到2 mol·L-1的盐酸溶液中，升温至70 ℃，恒温2 h。

(4)混合：将粉煤灰和氢氧化铝、碳酸钠按10∶1∶15的质量比混合，在850 ℃焙烧2～3 h。

(5)浸取：将焙烧后的产物研磨成粉，加入一定量的去离子水置于磁力搅拌器中，于50～55 ℃恒温2 h[5]。

(6)晶化：浸取后升温至95～100 ℃，在搅拌条件下晶化5～7 h。

(7)烘干：晶化后于烘箱中90～100 ℃烘干。

(8)混合造粒：将控失剂与氯化铵按15∶100的质量比混合造粒。

1.3 人工模拟淋失实验

人工模拟淋失装置见图2。在长25 cm、内径为5 cm的玻璃管(底部开直径为0.5 cm的小孔供淋溶液流出，并铺一层脱脂棉防止石英砂流出)中加入石英砂(经检验不含铵态氮，砂粒直径<0.5 mm)约7 cm厚，然后加入粉煤灰控失肥，肥料上再覆盖5 cm石英砂。用滴管淋洗，先加入70 mL水，1 h后，再加入30 mL水，收集淋溶液，每次收集10 mL，共收集10次[6]。淋溶结束后，采用纳氏比色-紫外分光光度法[7]分析每次淋溶液中的铵态氮含量及累积铵态氮量，计算累积溶出率。

图2 人工模拟淋失装置

淋溶液中铵态氮的浓度按下式计算：

式中：ρN为水样中铵态氮的质量浓度，mg·L-1，以氮计；As为水样的吸光度；Ab为空白实验的吸光度；a为标准曲线的截距；b为标准曲线的斜率；V为试料体积，mL。

2 结果与讨论

2.1 标准曲线的绘制

分别取0.00 mL、0.25 mL、0.50 mL、1.00 mL、1.50 mL、2.50 mL、3.50 mL、5.00 mL 氨氮标准工作溶液于25 mL比色管中，其对应的氨氮含量分别为0.0 mg、5.0 mg、10.0 mg、20.0 mg、40.0 mg、60.0 mg和100.0 mg，用蒸馏水稀释至刻度。再加入纳氏试剂0.5 mL，摇匀，放置5 min，在波长420 nm下，以蒸馏水作参比，测量吸光度。以空白校正后的吸光度为纵坐标、以其对应的氨氮含量(mg)为横坐标，绘制标准曲线。结果表明，溶液吸光度与氨氮的含量有良好的线性关系，回归方程为：y=0.0075x+0.0002，相关系数为0.9998。

2.2 粉煤灰控失肥铵氮溶出特性

对氯化铵(分析纯)和制得的粉煤灰控失肥按1.3方法进行评价，结果如图3所示。

图3 粉煤灰控失肥和氯化铵的铵氮累积溶出率对比

由图3可以看出，与纯的氯化铵相比，粉煤灰控失肥中氮素的流失率降低了20%左右。

3 结论

将粉煤灰在850 ℃焙烧2～3 h，用2 mol·L-1盐酸在70 ℃、搅拌条件下对焙烧产物酸溶2～3 h，得到改性粉煤灰；将改性粉煤灰与氢氧化铝、碳酸钠按质量比为10∶1∶15混合，在850 ℃焙烧2～3 h，得到焙烧产物；将焙烧产物进行浸取、晶化、烘干等处理，最后添加一定比例的高分子聚合物，制得化肥控失剂；将控失剂与化肥按一定比例混合造粒，制得粉煤灰控失肥。本实验制备的控失肥控失效果理想，可降低肥料中氮素态流失率20%左右，但设备能耗较大，制备工艺还有待进一步改进和完善。

[1] 赵仲霖.粉煤灰制备4A沸石分子筛的研究[J].煤炭加工与综合利用，2008，(2)：48-51.

[2] 荆小船.控失型复混肥的控失机理与特点[J].磷肥与复肥，2009，24(3)：57-58.

[3] 石建稳，陈少华，王淑梅，等.粉煤灰改性及其在水处理中的应用进展[J].化工进展，2008，27(3)：326-333.

[4] 相会强.改性粉煤灰在废水处理中的应用进展[C].中国颗粒学会2006年年会暨海峡两岸颗粒技术研讨会，2006：96-99.

[5] 陈泉水.粉煤灰制备4A分子筛工艺研究[J].化工矿物与加工，2001，30(1)：9-11.

[6] 乔菊，蔡冬清，姜疆，等.控失剂对铵态氮溶出特性的影响[J].安徽农学通报，2007，13(24)：34-35.

[7] HJ 535—2009，水质-氨氮的测定——纳氏试剂分光光度法[S].