改性粉煤灰在水处理方面的研究*

王洋洋，陈 岚

（华北电力大学环境科学与工程学院，河北保定071003）

粉煤灰是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，是燃煤电厂的副产物。粉煤灰的综合利用受到国内外研究学者的关注。粉煤灰新兴的应用领域包括：土壤改良剂、吸收剂、催化剂载体和作为陶瓷的生产材料[1-5]，目前，我国粉煤灰主要用于建筑工程、道路工程等方面。粉煤灰以它独特的物理化学性质在水处理方面显示了独特的优势。粉煤灰中含有较多的活性氧化铝和氧化硅等，能与吸附质通过化学键结合；同时粉煤灰的结构多孔，比表面积较大，因而具有良好的吸附性能，可应用于废水的处理[6]。但原始粉煤灰的吸附容量不高，因此，粉煤灰的改性显得十分重要。

1 粉煤灰的物化特性及作用机理

1.1 粉煤灰的物化特性

粉煤灰的主要化学成分包括硅、铝、铁氧化物，约占粉煤灰总质量的85%，以及一定量的钙、镁、硫氧化物，含量相对较低，还有一些痕量元素如Cu、Cr、Pb 等[7]，此外还有未燃尽的炭粒。

粉煤灰的组成和性能取决于煤的类型和燃煤电厂应用的技术，因此，各个电厂的粉煤灰是有差异的。对此Stanislav 等[8]研究了一种新的粉煤灰分类方法。按化学成分可分为：Sialic 型粉煤灰；Calsialic 型粉煤灰；Ferrisialic 型粉煤灰和Ferricalsialic 型粉煤灰。按粉煤灰的相态及矿物质可分为：凝硬性粉煤灰；惰性粉煤灰；活性粉煤灰和混合型粉煤灰。粉煤灰的类型不同决定着粉煤灰的应用领域不同。如凝硬性粉煤灰具有快速凝固的特点，主要用于水泥混凝土方面。

1.2 粉煤灰在水处理中的作用机理

粉煤灰在水处理中的主要作用机理为吸附[9]，主要包括物理吸附和化学吸附。粉煤灰与污染物分子间通过分子间引力产生的吸附为物理吸附，吸附效果取决于粉煤灰的多孔程度和比表面积。化学吸附主要是由于粉煤灰表面具有大量的Si、Al 等活性点，能与吸附质通过化学键发生结合。汪昆平[10]等以粉煤灰为吸附剂，研究了粉煤灰对水中阴离子型染料橙黄II 的吸附去除规律。粉煤灰除了能够吸附有害物质外，其中的一些成分还能与废水中的有害物质作用使其形成吸附-絮凝沉淀，但主要作用是吸附，混凝沉淀、过滤和中和沉淀只是对吸附起协同作用。

2 粉煤灰的改性

粉煤灰的改性主要是对粉煤灰进行物理或化学的处理，增加粉煤灰的表面积和空隙率，进而提高它的吸附性能。目前，常用的粉煤灰改性方法有酸改性、碱改性、盐改性、混合改性和粉煤灰合成沸石等。

彭敏等[11]研究了酸对粉煤灰的改性，比较了与HCl、HNO3、HClO4、H2SO44 种酸反应后粉煤灰的形貌和组成。实验结果表明，H2SO4可有效的与铁铝氧化物反应，又不明显破坏粉煤灰的玻璃微珠，为粉煤灰的最佳改性剂。朱洪涛[12]采用添加熟石灰并升温活化的方法对粉煤灰进行改性，研究了改性粉煤灰对活性艳兰染料的吸附脱色规律。结果表明：当Ca(OH)2与粉煤灰配比为1∶9，活化温度为500℃时，改性粉煤灰对活性艳兰染料有较好的脱色效果。曾经等[13]将粉煤灰浸泡在A1（NO3）3溶液中24h，得到了改性的粉煤灰，结果表明，改性粉煤灰对铜具有较强的吸附性能。Zhou 等[14]首先对粉煤灰进行酸和混合碱的改性处理，之后调配各组分比例，反应合成单一相沸石NaP1。实验结果表明，当混合碱的浓度为8mol·L-1时，合成的沸石为单一相的沸石NaP1。

沸石是一种水合的铝硅酸盐晶体，具有均匀的孔径和大的比表面积，被广泛用作离子交换剂、分子筛、气体吸附剂、催化剂等。沸石通常采用纯化工原料合成，价格较贵，不能满足实际应用的需求。粉煤灰中含有大量的Al 和Si 成分，可用作铝硅酸盐合成沸石[15]。沸石的比表面积比粉煤灰大的多，具有更强的吸附能力，增加了粉煤灰的利用价值。Marisa 等[16]用粉煤灰合成沸石，去除水中重金属离子。结果表明，随着沸石合成时间的增长和温度的升高，吸附离子能力随之增长。

3 改性粉煤灰在水处理中的应用

3.1 改性粉煤灰处理NH3-N 废水

随着工业的发展和人们生活水平的提高，NH3-N 废水的排放急剧增加，严重危害水环境和人类健康，使用粉煤灰处理NH3-N 废水得到了人们的关注。陈婉妹等[17]通过3 种方式即添加助剂煅烧、酸洗、碱洗对粉煤灰进行改性。结果发现，碱改性的粉煤灰的吸附性能较好，实验得出了碱改性粉煤灰吸附NH3-N 的最佳吸附条件为：对100mL 起始浓度50mg·L-1的NH3-N 废水，当粉煤灰为2g，废水pH值为7，搅拌时间为20min 时，改性粉煤灰对NH3-N的脱除率达70.86%。陈潇晶[18]采用Na2CO3煅烧水热合成改性、NaOH 水热合成改性、NaOH 煅烧水热合成改性3 种改性方法分别对粉煤灰进行改性处理，改性后粉煤灰比表面积都有不同程度的提高。其中以NaOH 煅烧水热合成改性效果最佳，对NH3-N 的去除率可达90%。

3.2 改性粉煤灰处理含磷废水

过量磷存在于水体中会产生巨大的危害，主要表现为水体的富营养化。曹守坤[19]经过4 种改性剂对粉煤灰进行改性，结果表明经FeCl3改性后的粉煤灰除磷效果最好。除含磷30mg·L-1的模拟废水100mL，加入粉煤灰1g，在室温条件下，不需要调节溶液的pH，磷的去除率可达99%，改性粉煤灰的吸附量可达2.97mg·g-1。在处理实际废水时，改性粉煤灰投加量为1.5g 时，处理后废水能达到排放标准。张信等[20]用Fe2+对粉煤灰进行改性并研究了改性后的粉煤灰对磷的吸附行为，结果表明粉煤灰用适量亚铁离子改性后对磷的吸附能力有较大改善，在30～50℃温度下，向100mL 含磷50mg·L-1的溶液投加改性粉煤灰的质量分别为2.5、3.5g 时，其对磷的吸附率分别达98%、99%。

3.3 改性粉煤灰处理重金属废水

重金属对人体是一种有害蓄积性中毒物质，当人体内重金属含量过高时，便会导致各种不治之症。邓玮[21]在800℃下用质量分数50%的CaO 改性粉煤灰，并进行重金属吸附测试。实验结果表明在改性粉煤灰投加量为9g，反应pH 值为7，反应时间为30min 的条件下，改性粉煤灰对50mL 浓度为10mg·L-1的含铬废水的去除率可达96.02%。Ren 等[22]研究了改性粉煤灰对Cr6+的吸附平衡动力学。研究表明Cr6+浓度为2mol·L-1，pH 值为2 时，每升废水投入2g 用0.25mol·L-1H2SO4溶液改性过的粉煤灰，处理1h 后，Cr6+的去除率可达到98.7%，吸附过程符合Langmuir 吸附模型。

3.4 改性粉煤灰处理矿井废水

酸性矿井废水是煤炭开采过程中产生的一类矿井水，用改性粉煤灰处理酸性废水可达到资源综合利用。Ariela 等[23]研究粉煤灰合成沸石的方法，并用合成沸石处理矿井废水。实验结果表明，合成沸石对矿井废水中Mn2+和Zn2+的去除率分别达到99.8%和81%。而合成沸石的成本大约是商品沸石的一半。

3.5 改性粉煤灰处理染料废水

染料废水具有有机污染物含量高，色泽深和可生化性较差等特点。粉煤灰结构多孔，可作为净化染料的吸附剂。Fan 等[24]研究了粉煤灰对亚甲基蓝的吸附情况，重点分析了pH 值、接触时间、废水浓度和粉煤灰的量等影响因素对吸附量的影响。

袁淼卉等[25]以粉煤灰为载体，选择合适的活性组分负载，制备出效果较好的催化剂，并用于催化臭氧氧化处理亚甲基蓝模拟废水的研究。实验结果表明：改性粉煤灰载体在活性组分NiO 负载量为1（wt）%，酸浸渍时间为15h，煅烧温度为300℃，煅烧时间为2h 条件下性能最优；改性粉煤灰催化O3氧化在O3输出体积分数为40%，pH 值为6.5，催化剂的投加量为8g·L-1，反应时间1h，催化效果最好，COD 的去除率能从单独O3氧化的41.44%提高到73.87%，色度去除率达到98%。

4 结论

粉煤灰来源广，价格低廉，可用来作为一种新型的水处理剂，去除水中的污染物。改性粉煤灰与改性前相比，增大了粉煤灰的比表面积和吸附容量，对NH3-N 废水、含磷废水、重金属废水、矿井废水、染料废水等具有良好的效果。但是粉煤灰在水处理的过程中尚有需要进一步改善之处：

（1）粉煤灰粒径较小，处理废水后固液难以分离。

（2）粉煤灰中重金属组分在水处理过程有逸出的风险，应注意二次污染问题。

（3）可进一步完善改性方法，切实增强粉煤灰活性，以拓宽其水处理领域。

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