改性粉煤灰对超细颗粒PM2.5的吸附研究

秦玉珠, 汪 宁, 魏丽丹，孟令丽, 王爱卿，马宇亮

(黑龙江工业学院环境工程系，黑龙江鸡西 158100)

改性粉煤灰对超细颗粒PM2.5的吸附研究

秦玉珠, 汪 宁, 魏丽丹，孟令丽, 王爱卿，马宇亮

(黑龙江工业学院环境工程系，黑龙江鸡西 158100)

本文以高岭土和改性粉煤灰为原料，制备了一种多孔莫来石陶瓷基体，把莫来石陶瓷基体作为汽车尾气过滤器中的吸附载体，研究莫来石陶瓷基体对汽车尾气超细颗粒物PM2.5烟尘的吸附特性和去除效果。实验结果表明莫来石陶瓷基体吸附材料对汽车尾气排放的PM2.5有明显的吸附性能。

高岭土；粉煤灰；多孔莫来石陶瓷基体；PM2.5；吸附性

煤是当今中国最重要也是储量最丰富的化石能源，占中国主要能源供应的70%以上。煤炭资源中有相当一部分用于火力发电，燃煤火电厂在保障我国社会、经济高速发展的同时，向大气排放了大量的细颗粒物PM10、PM2.5、CO2、SOx、NO以及众多有害痕量元素，其中PM2.5被吸入人体后会直接进入支气管，能引发包括哮喘、支气管炎和心血管病等方面的疾病，这些颗粒还可成为病毒和细菌的载体，加速呼吸道传染病的传播。

近几年来，国际上各个国家都将PM2.5作为大气环境污染和控制研究的重点。国内外学者在燃煤锅炉烟气排放颗粒物控制方面已开展了一定的研究工作，如利用粉煤灰制备吸附剂和催化剂处理废气污染[1-6]，但对于利用改性粉煤灰吸附PM2.5的研究较为罕见。本文拟“以废治废”，用鸡西市大唐燃煤火电厂排放的粉煤灰为主要材料，对粉煤灰进行改性，并在一定条件下与高岭土焙烧制备莫来石陶瓷基体，研究陶瓷基体对汽车尾气PM2.5颗粒物的吸附特性和去除效果。

1 实验部分

1.1 实验原料和仪器

1.1.1 实验原料

本实验所用的高岭土取自鸡西梨树矿区，粉煤灰来源于大唐热力发电厂，两种原料化学组成见表1所示。

表1 高岭土和粉煤灰的元素组成

1.1.2 实验仪器

ALB-224型电子天平，DST-1200型智能马弗炉，DHG-9101-3型电热恒温鼓风干燥箱，TAAM-2001A型原子吸收分光光度计，BT-9300Z型智能激光粒度分析仪，LD-5C(B)型微电脑激光粉尘仪，车辆尾气排放模拟装置，三元催化汽车尾气过滤器。

1.2 样品制备

1.2.1 粉煤灰改性

配制20%的盐酸，按盐酸与粉煤灰质量比2:1比例称取一定量的粉煤灰，用盐酸溶液将粉煤灰酸浸，并在加热套上磁力搅拌3h之后用超纯水清洗掉过量的盐酸，放在电热恒温鼓风干燥箱干燥60min，放在研钵中研磨，过120目筛子，备用。

1.2.2 吸附载体的制备

称取一定量的高岭土，研磨并将其过120目筛子后，按酸浸粉煤灰与高岭土质量比为3:7混合均匀，加入一定量超纯水，用模具压成型，在电热恒温鼓风干燥箱中干燥3天，在自然环境下继续干燥2天，送入马弗炉中高温焙烧，将温度设为900℃，待焙烧保温2h后，将焙烧产物用砂纸打磨，超声波清洗60min后自然干燥，将莫来石陶瓷基体作为吸附载体填充在汽车尾气过滤器中，备用。

2 结果与讨论

2.1 原料的选择

改性粉煤灰和高岭土以一定比例均匀混合后经过高温焙烧生成结构稳定的莫来石多孔结构，结构见图1所示。得到的莫来石陶瓷基体比表面积增大，并具有良好的吸附性能，所以选择高岭土与改性粉煤灰以适当比例混合制备莫来石陶瓷基体[7]。

图1 莫来石的3D化学结构图(引用于ICSD数据库)

图2 室外PM2.5浓度变化曲线

图3 室内PM2.5浓度变化曲线

2.2 室内外PM2.5浓度值

在实验楼室外，用LD-5C(B)型微电脑激光粉尘仪测定12h内空气中浓度变化值见图2所示。在第一实验楼室20m2的密闭实验房间内的PM2.5浓度变化值见图3所示。

从图2可以看出，一天中早高峰(早上8点前后)和晚高峰(晚上5点左右)大气中PM2.5颗粒浓度值有上升趋势，上午10点和下午7点PM2.5浓度值达到最高。根据2012年2月29日国务院批准发布的《环境空气质量标准》(GB3095-2012)标准，PM2.5一级标准限值：年平均为15μg·m-3，24小时平均为35μg·m-3；其中一级标准适用于自然保护区、风景名胜区和需要特殊保护的区域；二级标准限值：年平均为35μg·m-3，24小时平均为75μg·m-3。其中二级标准适用于居住区、商业交通居民混合区、文化区、工业区和农村地区。由于实验环境在大学中进行，应按二级标准执行，说明鸡西地区PM2.5浓度超标。从图3可以看出，PM2.5颗粒物浓度值维持在110μg·m-3左右，这是由于实验室为封闭环境，PM2.5颗粒物浓度值维持平稳状态。

图4 室内汽车尾气过滤前后PM2.5浓度值变化曲线

2.3 室内汽车尾气过滤前后PM2.5浓度值

内燃机驱动的汽车会在燃烧燃料(本实验燃料采用柴油)的过程中产生二氧化碳、一氧化碳、碳氢化合物(HC)，颗粒物(PM)，还有氮氧化物以及水。这里面氮氧化物会形成光化学烟雾，二氧化碳是温室气体，PM主要会影响人的呼吸系统。PM2.5只是汽车尾气中的颗粒物中的一部分，是尺寸相对较小的那一部分，一般不可见，更容易被人吸收。PM2.5颗粒的组成是复杂的、动态的，它的主要成分燃料中硫燃烧后生成的硫酸铵、硝酸铵和未燃燃料有机颗粒等。各成分在微粒中所占的比例会不断变化。车辆尾气排放试验是在一个模拟车辆行驶的转股试验台上进行的，由于实验在一个密闭的环境内进行，车辆尾气排放试验时间较长，发动机怠速运转，使得三元催化器无法启动，大量有毒尾气一氧化碳会排放至密闭实验室内可能导致检测人员中毒，固本实验尾气排放实验模拟5min后关闭实验装置测定PM2.5浓度值见图4所示。在第二天相同的时间点，将装有莫来石陶瓷基体的汽车尾气过滤器安装在车辆尾气排放模拟装置上，尾气排放实验模拟5min后关闭实验装置测定PM2.5浓度值见图4所示。

可以看出经过高温焙烧的高岭土和改性粉煤灰的混合物制得的莫来石陶瓷基体能有效吸附汽车尾气排放的PM2.5颗粒物，使PM2.5浓度值降低。随着时间增长，PM2.5浓度值减小明显。

3 结论

经过高温焙烧的高岭土和改性粉煤灰制得的莫来石陶瓷基体能有效吸附汽车尾气排放的PM2.5颗粒物，随着时间的累积，PM2.5颗粒浓度下降明显。我们发现经莫来石陶瓷基体吸附后的PM2.5浓度值与国家排放标准仍有一定的距离，实验装置有待于改进，实验条件有待于进一步的摸索探究。本实验主要阐述了粉煤灰在大气污染物去除方面的应用前景，从而为粉煤灰的综合利用提供一种新途径。

[1]Izquierdo M T, Rubio B. Carbonenriched coal fly ash as a precursor of activated carbons for SO2removal[J]. Journal of Hazardous Materials,2008,155(1/2):199-205.

[2]MontesHernandez G, PérezLópez R, Renard F, et al. Mineral sequestration of CO2by aqueous carbonation of coal combustion flyash[J].Journal of Hazardous Materials,2009,161(2/3):1347-1354.

[3]陈婉妹，李宝霞，陈宜滨.改性粉煤灰处理氨氮废水实验研究[J].福州大学学报：自然科学版，2012，40(1):138-142.

[4]李芳，陈敏东，张爱民，等.柴油发动机颗粒排放物研究进展[J]. 环境科学与技术，2009，32(4):81-85.

[5]蔡志红，李彩亭，文青波，等.改性粉煤灰对空气中甲醛的吸附研究[J].中南大学学报：自然科学版，2011，42(7): 2156-2161.

[6]刘彦飞，邵龙义，王彦彪，等.哈尔滨春季大气PM2.5物理化学特征及来源解析[J].环境科学与技术，2010，33(2):131-149.

[7]徐姗姗，魏刚，张晓丰，等. 陶土-粉煤灰基吸附性陶瓷基体的制备及其吸附性能[J].北京化工大学学报：自然科学版, 2012,39(4):42-46.

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年度黑龙江省教育厅高职高专院校科研项目(12535178)。

秦玉珠(1988- )，女，安徽阜阳人，黑龙江工业学院环境工程系助教，硕士，从事环境污染与防治研究。

X513

A

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