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        粉煤灰改性方法及機(jī)理的研究進(jìn)展*

        2022-05-27 03:57:56孟曉靜
        廣州化工 2022年9期
        關(guān)鍵詞:改性效果

        孟曉靜,陳 華

        (重慶科技學(xué)院,重慶 401331)

        粉煤通過空氣高速吹進(jìn)溫度為1500 ℃左右的鍋爐中燃燒產(chǎn)生的產(chǎn)物就是粉煤灰。我國每年粉煤灰的排放量可達(dá)一億多噸[1]。就目前來看,中國乃至全世界的粉煤灰的利用率都很低,大部分粉煤灰都是作為廢棄物堆放,只有少部分粉煤灰(20%~30%)用于交通、建筑和土壤改良方面。粉煤灰中存在有毒物質(zhì),會(huì)污染水資源影響人體健康,因此粉煤灰污染是我國當(dāng)前急需解決的問題。

        由于粉煤灰中存在較多的Si、Al活性點(diǎn),可以通過化學(xué)鍵與吸附質(zhì)結(jié)合,并且具有大量的孔道結(jié)構(gòu),所以粉煤灰具有一定的吸附性能[2]。因此國內(nèi)外有許多學(xué)者利用粉煤灰的吸附性來吸附廢水中的氨氮,但是在吸附的過程中發(fā)現(xiàn),直接將粉煤灰作為吸附劑時(shí)的效果并不理想,因?yàn)榉勖夯冶旧淼奈搅刻。虼藢?duì)粉煤灰的改性已經(jīng)成為了近幾年的研究熱點(diǎn)。

        1 粉煤灰改性機(jī)理

        粉煤灰的化學(xué)主要成分包括Al2O3、SiO2等,粉煤灰的活性隨著Al2O3和SiO2的含量升高而增大[3]。粉煤灰的顆粒形狀對(duì)它的化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)也有很大的影響,增鈣和增硅主要是通過向粉煤灰中加入石灰石和石英玻璃屑,將低鈣低硅粉煤灰變成高鈣高硅粉煤灰,堿激發(fā)就是通過堿性物質(zhì)激發(fā)粉煤灰中的活性組分(Al2O3、SiO2),使玻璃體中的Al-O、Si-O鍵斷裂,從而提高粉煤灰的活性,磨細(xì)就是改善粉煤灰表面結(jié)構(gòu),對(duì)粉煤灰改性的基本原理是改善粉煤灰化學(xué)成分搭配,激發(fā)粉煤灰的潛在活性,優(yōu)化顆粒級(jí)配,以此來提高粉煤灰的形態(tài)效應(yīng)、活性效應(yīng)和微集料填充效應(yīng)[4]。

        從物理性質(zhì)方面來看,粉煤灰與活性炭非常相似,因此可以用粉煤灰代替活性炭作為吸附劑使用。對(duì)粉煤灰的改性方法有很多種,廣義上分為化學(xué)改性和物理改性,化學(xué)改性又可分為酸改性、堿改性、表面活化和鹽改性,物理改性又分為超聲波改性、金屬表面化改性、高溫改性、微波改性和機(jī)械磨細(xì)改性[5]。

        2 酸改性

        酸改性是除去粉煤灰內(nèi)部的雜質(zhì),提高其吸附能力,粉煤灰通過酸處理之后,比表面積增大,表面會(huì)形成許多的孔結(jié)構(gòu)和凹槽,增強(qiáng)了粉煤灰對(duì)氨氮廢水的吸附能力。處理之后的粉煤灰含有FeCl3、FeSO4、Fe2(SO4)3、AlCl3、Al2(SO4)3和H2SiO3等成分,這些物質(zhì)有較好的絮凝作用,并且可以水解形成一些復(fù)雜的多核絡(luò)合物,生成的多核絡(luò)合物通過不斷發(fā)生的縮聚反應(yīng),最終形成高分子聚合物,在此過程中,隨著反應(yīng)的進(jìn)行,高分子聚合物的電荷在不斷的升高,增強(qiáng)了粉煤灰對(duì)廢水中的膠體雜質(zhì)的吸附能力,在攪拌的過程中,粉煤灰被高分子聚合物和多核絡(luò)合物包圍在中間,它們通過粉煤灰的吸附性形成了一個(gè)較大的懸浮體,當(dāng)停止攪拌之后,大懸浮體會(huì)迅速沉降,所以,酸改性粉煤灰不但可以使水中的懸浮膠粒脫穩(wěn),還起到了助凝和吸附的作用[6]。

        肖前斌等[7]采用HCl、H2SO4及在550 ℃下炭化粉煤灰方法處理,結(jié)果表明三種方法都可以提高粉煤灰的比表面積和粒徑,粉煤灰進(jìn)行改性處理可以改變粉煤灰的化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì),為粉煤灰的資源化利用提供了依據(jù)。

        李國新[8]研究了鹽酸改性粉煤灰吸附磷的效果,鹽酸改性粉煤灰比未改性粉煤灰對(duì)磷酸鹽的吸附效果好,經(jīng)表征分析可知粉煤灰在鹽酸的作用下形成了更多的孔結(jié)構(gòu),增強(qiáng)了其吸附性能。

        李沛?zhèn)惖萚9]探究了硫酸改性粉煤灰降解COD的能力。結(jié)果表明H2SO4改性的效果很好,對(duì)COD的降解率可達(dá)83.60%。硫酸改性粉煤灰除莫來石、方解石和石英外還有纖鐵礦和石膏,且原粉煤灰表面光滑,沒有纖維,而硫酸改性粉煤灰表面凹槽多,有纖維,故改性后增大了比表面積,暴露出更多的活性位點(diǎn)。同時(shí)其含有較多的L酸和L堿中心以及表面羥基,影響粉煤灰的吸附量。

        由于粉煤灰含有氧化鋁和氧化硅活性物質(zhì),因此可以將粉煤灰作為吸附劑來吸附廢水中的磷,而且粉煤灰中的三氧化二鐵可以生成混凝劑,與磷酸根發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)生成沉淀。但是原粉煤灰的吸附效果不是很理想,需要對(duì)原粉煤灰進(jìn)行一些改性處理,于是汪淑廉等[10]通過H2SO4、HNO3和HCl分別對(duì)粉煤灰進(jìn)行改性來處理含磷廢水,結(jié)果表明三種改性粉煤灰對(duì)磷的吸附性能都有所提高,鹽酸的改性效果比硝酸強(qiáng),硝酸的改性效果比硫酸強(qiáng),改性粉煤灰對(duì)廢水中磷的吸附效果隨著鹽酸的濃度增加而更強(qiáng),粉煤灰改性之后可以提高比表面積,從而提高對(duì)磷的吸附性能。

        3 堿改性

        堿溶液可以對(duì)粉煤灰產(chǎn)生很強(qiáng)的作用,堿類物質(zhì)對(duì)硅酸鹽的玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有直接的破壞作用,因此堿改性是破壞粉煤灰中的Si-O-Si和Si-O-Al網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),提高粉煤灰對(duì)氨氮廢水的吸附能力。影響堿改性粉煤灰效果的因素有堿的種類、溫度、粉煤灰的結(jié)構(gòu)和pH值等,正常情況下,溫度越高、pH值越大、堿性越強(qiáng),堿溶液對(duì)粉煤灰的作用就越強(qiáng),那么堿改性粉煤灰的效果就越明顯,粉煤灰的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定,破壞粉煤灰的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)需要的能量就越大,那么堿激發(fā)作用就不明顯,需要的時(shí)間就越久[11]。堿改性粉煤灰的制備有三種方法,第一種是將堿和粉煤灰一起焙燒,使其產(chǎn)生鋁酸鹽和硅酸鹽,第二種是直接將原粉煤灰與堿溶液混合,然后在一定的溫度下進(jìn)行改性,第三種是先將粉煤灰預(yù)處理,然后再與堿溶液混合改性。

        制備堿激發(fā)粉煤灰時(shí)用的堿激發(fā)劑必須具備兩個(gè)條件,第一個(gè)條件是可以解聚粉煤灰中的網(wǎng)狀聚集體,第二個(gè)條件是能夠?qū)⒎勖夯冶砻娴谋Wo(hù)層破壞,堿激發(fā)粉煤灰的制備過程分為兩個(gè)階段,第一個(gè)階段是含有不飽和鍵的鋁酸根和硅酸根反應(yīng),第二個(gè)階段是其中部分網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)解體,產(chǎn)生凝膠性物質(zhì),比如水化硅酸鋁和水化硅酸鈣等[12]。金屬陽離子(Na+、K+等)對(duì)第二個(gè)階段有一定的促進(jìn)作用,改性粉煤灰的吸水率越低,吸附效果越好;粉煤灰的抗壓強(qiáng)度越大,吸附能力越強(qiáng);粉煤灰的透水率越低,吸附能力越強(qiáng)。

        徐潔等[13]將處理過的粉煤灰與氫氧化鈣混合,在350 ℃高溫下煅燒制備堿改性粉煤灰,發(fā)現(xiàn)粉煤灰的吸附能力有所提高,但是效果并不明顯。因?yàn)樵勖夯抑械牟Aw非常穩(wěn)定,不容易被破壞,然后內(nèi)含的活性物質(zhì)不能被釋放出來,得不到充分利用。李慧贏等[14]在此基礎(chǔ)上加入Na2CO3作為助溶劑與粉煤灰一起煅燒,破壞粉煤灰中玻璃體物質(zhì)的結(jié)構(gòu),將粉煤灰中的活性物質(zhì)釋放出來,改性后的粉煤灰吸附性能明顯提高,改性粉煤灰對(duì)SO2的吸附量是改性之前的10.5倍。改性前粉煤灰顆粒表面比較緊密、光滑,孔數(shù)量較少,改性后粉煤灰吸附孔道數(shù)量增多,比表面積變大,呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

        4 高溫改性

        高溫改性就是通過加熱直接破壞粉煤灰的玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),提高粉煤灰的化學(xué)和物理吸附能力。高溫改性的過程實(shí)際就是一個(gè)粉煤灰脫水的過程,粉煤灰中一共存在三種水,分別是羥基水、結(jié)晶水和吸附水,羥基水在陽離子八面體帶和硅氧四面體帶之間,結(jié)晶水在結(jié)構(gòu)空洞壁上,吸附水在通道或結(jié)構(gòu)空油內(nèi),粉煤灰經(jīng)過加熱之后,脫水、結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,通過控制溫度將粉煤灰中的水分脫干,增強(qiáng)分子的吸附性,從而提高粉煤灰的吸附能力[6]。粉煤灰經(jīng)高溫改性之后,吸附性孔道數(shù)量增加,比表面積增大,但是過高的溫度會(huì)改變粉煤灰的部分物理性質(zhì),降低粉煤灰的吸附能力。

        粉煤灰顆粒的比表面積較大,并且含有較多的孔道結(jié)構(gòu),吸附活性較高,并且具有化學(xué)和物理雙重吸附性能,因此利用粉煤灰的吸附性來處理焦化廢水,廢水中的氨氮的去除率會(huì)很高。

        駱欣等[16]發(fā)現(xiàn)將Na2CO3與經(jīng)過預(yù)處理之后的粉煤灰混合,在800 ℃條件下焙燒2小時(shí),得到的高溫改性粉煤灰的吸附性能較好,改性粉煤灰吸附Pb的過程符合擬二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程,吸附速率不是取決于吸附質(zhì)的濃度,而是吸附活性位。經(jīng)過表征分析,證明高溫改性的原理是將粉煤灰中的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)破壞,從而達(dá)到提高粉煤灰活性的目的。

        吳幼權(quán)[17]把氧化鈣和粉煤灰按照一定比例混合,在高溫下煅燒,結(jié)果表明粉煤灰和氧化鈣為1:1、1000 ℃時(shí),吸附效果最好。通過表征分析,發(fā)現(xiàn)粉煤灰改性之后的結(jié)構(gòu)和沸石非常相似,其孔隙數(shù)量和比表面積明顯增加。

        5 鹽改性

        對(duì)粉煤灰進(jìn)行鹽改性處理實(shí)際上是在粉煤灰表面吸附鹽改性離子,從而使粉煤灰有離子交換功能。經(jīng)銨鹽改性之后的粉煤灰的表面有更多的凹槽,部分銨鹽進(jìn)入粉煤灰內(nèi)部,粉煤灰的比表面積增大,吸附性增強(qiáng)。

        張罡等[18]發(fā)現(xiàn)金屬鹽改性之后的粉煤灰的吸附能力明顯比未改性的粉煤灰強(qiáng)。當(dāng)改性劑濃度過高時(shí),會(huì)破壞粉煤灰中的多孔結(jié)構(gòu),最后導(dǎo)致粉煤灰的內(nèi)表面積變小。改性粉煤灰對(duì)氟的吸附效果隨著溫度的升高先增強(qiáng)后變?nèi)酰?/p>

        曹書勤等[19]研究了以十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)對(duì)粉煤灰改性后吸附有機(jī)磷的效果,CTAB可以增強(qiáng)粉煤灰表面的正電性,提高對(duì)陰離子的吸附效果,改性后的粉煤灰的吸附活性隨羥基含量的增加而變強(qiáng),其表面凹槽變得更多,其中部分CTAB會(huì)進(jìn)入粉煤灰的內(nèi)部,增加了其比表面積和親水性。同時(shí),改性后的粉煤灰中的三氧化二鋁、二氧化硅以及玻璃體的衍射峰增強(qiáng),非晶態(tài)物質(zhì)變多了,粉煤灰的吸附性增強(qiáng)。

        6 結(jié) 論

        本文介紹了粉煤灰的改性機(jī)理、改性方法(酸改性、鹽改性、堿激發(fā)和高溫改性)以及改性粉煤灰的應(yīng)用現(xiàn)狀。高溫改性是通過加熱直接破壞粉煤灰的玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),提高粉煤灰的化學(xué)和物理吸附能力。堿改性是破壞粉煤灰中的Si-O-Si和Si-O-Al網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),激發(fā)粉煤灰的吸附性。酸改性是除去粉煤灰內(nèi)部的雜質(zhì),提高其吸附能力,通過酸處理之后的粉煤灰的比表面積增大,表面會(huì)形成許多的孔結(jié)構(gòu)和凹槽,增加了粉煤灰的吸附作用。銨鹽改性之后的粉煤灰的表面有更多的凹槽,部分銨鹽進(jìn)入粉煤灰內(nèi)部,使粉煤灰的比表面積增大,吸附性增強(qiáng)。

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