薛海月，王連勇,2，劉向宇，韓建麗

(1.東北大學(xué) 冶金學(xué)院，遼寧 沈陽 110000；2.國家環(huán)境保護生態(tài)工業(yè)重點實驗室，遼寧 沈陽 110000)

0 引 言

粉煤灰是煤燃燒后產(chǎn)生的由除塵器收集的一種工業(yè)固體廢棄物，通常來源于火力發(fā)電廠。近年來，我國電力工業(yè)發(fā)展迅速，煤消耗量急劇增加，2020年，我國煤炭年消耗量達到28.3億t[1]，2019年及2020年，我國粉煤灰年產(chǎn)量分別為6.4億t及6.5億t[2]，目前多用于建筑業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)保材料等方面，但附加值不高且利用率低，因此粉煤灰資源化綜合應(yīng)用成為研究熱點。粉煤灰形貌隨燃燒方式的不同而不同，通常煤粉爐燃燒呈光滑球狀，流化床燃燒呈無定形狀，其孔隙率極高，可達70%左右，吸附效果良好[3]，粉煤灰中硅鋁元素總和占65%左右，是合成沸石的理想原料。粉煤灰合成沸石的傳統(tǒng)方式為水熱合成法[4]，成本低廉且設(shè)備簡單，但合成沸石的結(jié)晶度與純度有限，因此在此基礎(chǔ)上出現(xiàn)了堿熔融-水熱法[5]、晶種誘導(dǎo)合成法[6]、超臨界水熱法[7]、微波輔助法[8]等方法。其中堿熔融水熱法是在水熱法的基礎(chǔ)上增加了堿熔融的過程，在此過程中粉煤灰中的頑固物質(zhì)融解，活性升高，相比于簡單的水熱法，堿熔融法中的硅鋁元素溶出率更高，晶化過程中晶體的生長速率更高，純度更好；晶種誘導(dǎo)法是在水熱法的基礎(chǔ)上，在晶化過程加入相應(yīng)晶種，具有良好的誘導(dǎo)作用，形成晶核生長中心，加快生長速率，晶體類型得到有效控制，合成的沸石純度高，確定性高；超臨界水熱法是指在水熱法的基礎(chǔ)上結(jié)合超臨界水技術(shù)，即在超臨界條件下(溫度>374 ℃，壓力>22.01 MPa)進行晶化，相比于傳統(tǒng)水熱法，此條件下晶體成核速率極高，晶化時間大大縮短，因此反應(yīng)成本低；微波輔助法是在水熱法的基礎(chǔ)上在晶化步驟加入微波輔助條件，相較于水熱法的普通加熱方式，微波加熱方式可將加熱時間縮短十幾倍，大大節(jié)省了反應(yīng)時間。目前試驗中最常用的是堿熔融水熱法，該方法對設(shè)備要求不高，且效果理想。張晶晶等[9]采用堿熔融法將粉煤灰合成了沸石，通過XRD和SEM表征發(fā)現(xiàn)，經(jīng)堿熔融處理后粉煤灰中的石英和莫來石晶體結(jié)構(gòu)被破壞，粉煤灰活性大大提高，原本的球狀形態(tài)消失，分散均勻。將粉煤灰合成沸石可大大提升其吸附性能，實現(xiàn)固體廢棄物的高附加值利用[10-12]。

隨著我國工業(yè)發(fā)展步伐的加快，水資源短缺，水污染情況愈發(fā)嚴(yán)重，因此進行污水處理研究十分必要。印染廢水是棉麻及化學(xué)纖維等紡織物在印染加工過程中產(chǎn)生的一種工業(yè)廢水，占工業(yè)廢水總排放量的41.5%[1]，印染廢水的年排放量可達18.4億t[13]。印染廢水成分復(fù)雜，具有堿性大、色度高、廢水溫度高等特點[14]，處理難度很高，近年來相關(guān)研究較多，但普遍成本高、效率低。

TiO2光催化技術(shù)因其反應(yīng)條件溫和及強氧化能力可有效去除廢水中有機物及廢氣中有害物，但TiO2在水溶液不易分散且回收困難，將其負(fù)載到沸石分子篩上可很好地解決這一問題[15-17]。李濤等[18]采用溶膠凝膠法制備了Mn、N共摻雜TiO2光催化劑，并以沸石作為載體負(fù)載TiO2，該催化劑對孔雀石綠的最佳降解率可達97%，且5次試驗循環(huán)后降解率仍在88%以上，光催化循環(huán)穩(wěn)定性良好。SHUJI等[19]采用造紙技術(shù)將TiO2負(fù)載在沸石上并合成了片狀TiO2/沸石復(fù)合材料，將其用于降解磺胺二甲嘧啶廢水，去除率可達100%。秦穎楠[20]研究表明，沸石分子篩與TiO2的負(fù)載一方面發(fā)掘了沸石分子篩作為良好載體的潛能，一方面解決了TiO2粒度小、難回收、易造成二次污染與浪費的問題，將TiO2負(fù)載在沸石上制備的催化劑具有處理效率高、低成本、低能耗、無二次污染的特點，將TiO2負(fù)載在沸石上制備復(fù)合催化劑效果理想。由于負(fù)載前的TiO2粒度較小，直接用于處理廢液時容易聚集在廢液上部，不易分散，并且反應(yīng)后因粒度較小不易回收，直接排放會造成二次污染，而將其負(fù)載在沸石上后，TiO2負(fù)載在沸石表面或孔道結(jié)構(gòu)中，粒度增加，解決了不易回收及二次污染的問題。但目前技術(shù)中TiO2與沸石的結(jié)合通常需要2步，第1步是制備沸石或直接應(yīng)用工業(yè)沸石，第2步是經(jīng)過一系列反應(yīng)過程負(fù)載TiO2，成本較高且操作復(fù)雜。筆者以固體廢棄物粉煤灰為原材料制備沸石，并在制備過程中負(fù)載TiO2，制成粉煤灰基沸石負(fù)載TiO2復(fù)合光催化劑，相較于現(xiàn)有技術(shù)降低了成本，將其用于處理亞甲基藍模擬廢液，效果理想。

1 試驗部分

1.1 試驗原料及儀器

粉煤灰取自沈陽某電廠除塵器部位，該電廠主要燃燒煤種類為褐煤，因此屬于C類灰，該粉煤灰主要成分為SiO2和Al2O3，二者總和占比高于80%，該粉煤灰中CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于10%，屬于低鈣粉煤灰。

化學(xué)試劑為亞甲基藍、鹽酸、贏創(chuàng)德固賽P25(平均粒徑為25 nm的TiO2)、氫氧化鈉、溴化鉀，均為分析純。試驗所用水均為超純水。

主要儀器設(shè)備有磁力加熱攪拌器(HJ-4A，金壇西城新瑞儀器廠)、抽濾裝置、馬弗爐、電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(DHG-9070A，上海鴻都電子科技有限公司)、壓片機(上海精勝儀器)、紫外可見光分光度計(SPECORD 200，德國耶拿)等。

1.2 樣品的制備

1)粉煤灰的預(yù)處理。取適量粉煤灰，過100目篩(0.15 mm)，研磨并干燥，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的鹽酸溶液，于80 ℃條件下油浴加熱并攪拌2 h，抽濾，洗滌，干燥，備用。

2)堿熔融。以一定堿灰比稱取一定量NaOH固體顆粒與備用粉煤灰，充分研磨，調(diào)節(jié)硅鋁比(加入一定量偏鋁酸鈉/二氧化硅)，然后研磨均勻，放入坩堝中，加入20 mL去離子水，在馬弗爐中550 ℃，煅燒2 h。

3)陳化及水熱合成。煅燒后粉煤灰冷卻研磨，加入一定量TiO2，以一定灰水質(zhì)量比放入燒杯，蓋好保鮮膜，磁攪拌一定時間，放入反應(yīng)釜100 ℃晶化、冷卻、抽濾、干燥、研磨得到催化劑樣品，具體如圖1所示。

圖1 催化劑制備試驗流程及樣品形貌變化Fig.1 Flowchart of catalyst preparation experiment and sample morphology changes

1.3 試驗方法

以TiO2投加量(因素A)、堿灰質(zhì)量比(因素B)、灰水質(zhì)量比(因素C)、晶化時間(因素D)為考察因素，以亞甲基藍去除率為目標(biāo)函數(shù)，進行正交試驗并分析，選出最佳催化劑制備工藝條件。正交設(shè)計見表1[21]。

表1 正交設(shè)計[21]

1.4 樣品性能與表征

通過X射線熒光光譜分析(XRF)確認(rèn)樣品中元素類別及具體含量；通過XRD-7000型X射線衍射分析(XRD)對固體樣品進行物相分析，以鑒別晶體結(jié)構(gòu)；通過紅外光譜分析(FTIR)檢驗金屬離子與非金屬離子成鍵、金屬離子的配位等情況；通過掃描電鏡分析(SEM)在一定放大倍數(shù)下觀察樣品的表面形態(tài)。

1.5 催化劑性能測試

配制10 mg/L的亞甲基藍溶液，取適量配制溶液于燒杯中，加入催化劑0.25 g/L，在溶液初始pH不變、水浴加熱30 ℃條件下反應(yīng)1 h，反應(yīng)達到平衡后，取杯中液體，以9 000 r/min的轉(zhuǎn)速離心5 min，取上清液，用紫外分光光度計測定吸光度[22]，進行正交分析。

自制的光催化反應(yīng)箱如圖2所示，反應(yīng)箱內(nèi)部用鋁箔膠帶黏結(jié)，反射紫外光燈發(fā)射的紫外線，在提高光源利用率的同時，防止紫外光投射出箱外損害人體健康，紫外光燈(波長為367～410 nm)將其固定在光催化反應(yīng)箱頂部，距離燒杯上方10 cm，燒杯置于磁力攪拌器上的盛水容器中，燒杯中裝有所需反應(yīng)溶液及催化劑，磁力攪拌器的攪拌作用可使燒杯內(nèi)的催化劑被紫外光均勻照射，加熱作用可進一步提升反應(yīng)速率，磁力攪拌器的溫度傳感器即熱電偶，置于盛水容器中以感應(yīng)溶液溫度，反應(yīng)時箱外用厚黑布覆蓋，阻擋紫外線透射出箱外[23]。

圖2 自制光催化反應(yīng)器Fig.2 Self-made photocatalytic reactor

2 結(jié)果與討論

2.1 正交試驗分析

采用4因素4水平的L16(44)型正交試驗，以亞甲基藍去除率為目標(biāo)函數(shù)進行數(shù)據(jù)分析，16組正交試驗數(shù)據(jù)匯總及直觀分析結(jié)果見表2(Ki為任意列上水平i所對應(yīng)的試驗結(jié)果之和)，正交試驗因素水平關(guān)系如圖3所示。對正交試驗進行極差分析，由表2及圖3可知，極差RB>RC>RA>RD，說明4個因素對目標(biāo)函數(shù)的影響程度大小順序為堿灰質(zhì)量比>灰水質(zhì)量比>鈦灰質(zhì)量比>晶化時間，即堿灰比是影響催化劑效果的最主要因素。由均值K可得出以亞甲基藍去除率為目標(biāo)函數(shù)的正交試驗的最優(yōu)水平組合為A3B4C3D4，即鈦灰質(zhì)量比為1.0∶2.9，堿灰質(zhì)量比為1.5∶1.0，灰水質(zhì)量比為1∶10，晶化時間為24 h。

表2 正交試驗數(shù)據(jù)

續(xù)表

圖3 正交試驗因素水平關(guān)系Fig.3 Horizontal relationship diagram of orthogonal test factors

由于極差分析無法得到試驗過程和結(jié)果中產(chǎn)生的必然誤差，無法精確分析各因素對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響的顯著程度[24]，因此對正交試驗結(jié)果進行方差分析。方差分析時通常根據(jù)F值檢驗因素對目標(biāo)函數(shù)影響顯著性的大小，顯著性水平α通?？扇≈禐?.01、0.05、0.10，當(dāng)F>Fα(α=0.01)時，影響特別顯著；當(dāng)Fα(α=0.05)C>A>D，即堿灰質(zhì)量比>灰水質(zhì)量比>鈦灰質(zhì)量比>晶化時間，這與極差分析結(jié)果一致，其中，堿灰質(zhì)量比、灰水質(zhì)量比、鈦灰質(zhì)量比對亞甲基藍去除率效果影響顯著。

表3 正交試驗方差分析

因此正交試驗的最優(yōu)水平組合：鈦灰質(zhì)量比為1.0∶2.9，堿灰質(zhì)量比為1.5∶1.0，灰水質(zhì)量比為1∶10，晶化時間為24 h，在該條件下制得最佳組催化劑。

2.2 性能表征分析

2.2.1X射線熒光光譜分析(XRF)

對粉煤灰、粉煤灰基沸石、粉煤灰基沸石-TiO2催化劑進行了元素分析，結(jié)果見表4，由表4可以看出，試驗所用粉煤灰主要成分有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO等，其中SiO2和Al2O3占主要部分，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為84.66%，為試驗合成沸石提供豐富的硅源和鋁源，其中CaO占比為4.21%，低于10%，根據(jù)McCarthy分類法[26]，其為低鈣粉煤灰。由式(1)～(3)計算得到該粉煤灰的硅鋁原子比為2.37，X型沸石硅鋁原子比為1.5～2.5[27]，因此該粉煤灰可合成X沸石。由表4可知，粉煤灰堿熔融水熱法合成沸石后，硅鋁元素占比總和仍大于80%，粉煤灰基沸石- TiO2催化劑中檢測到TiO2，占比33.46%，由式(1)～(3)計算得到粉煤灰基沸石、粉煤灰基沸石- TiO2催化劑的硅鋁原子比分別為1.598和1.916，均在X沸石范圍內(nèi)。

(1)

(2)

(3)

式中，n為物質(zhì)的量，mol；m為質(zhì)量，g；M為摩爾質(zhì)量，g/mol；b為硅鋁比。

表4 XRF表征分析結(jié)果

2.2.2X射線衍射分析(XRD)

最佳組催化劑XRD分析如圖4所示(Q為石英，M為莫來石)，由圖4可知，粉煤灰原灰的主要礦物組成成分為石英和莫來石，酸洗預(yù)處理后的粉煤灰主要晶相結(jié)構(gòu)并未發(fā)生變化，仍為石英和莫來石，但一些雜峰隨之變小甚至消失，說明酸洗可去除雜質(zhì)，從而疏通孔道、增大吸附能力。石英具有穩(wěn)定的物理和化學(xué)性質(zhì)，莫來石耐高溫，熔融溫度通常在2 000 ℃左右[28]，因此二者存在會大大影響沸石制備時的晶化程度，降低沸石轉(zhuǎn)化率，因此需對其進行融解，由圖4可知，堿熔融后，莫來石及石英的衍射峰明顯消失，粉煤灰中主要晶體成分變?yōu)锳l(OH)3、CaSiO3、CaFe4O7等，說明粉煤灰中的玻璃態(tài)物質(zhì)被分解，Si—O、Al—O鍵斷裂，Si-O-Al聚合體的聚合度降低，表面形成不飽和活性鍵[29]，粉煤灰活性大大提升，為進一步水熱合成沸石分子篩提供可能。所合成的X型沸石-TiO2催化劑的衍射圖譜如圖5所示(X為X沸石，T為TiO2)，可以看出主要衍射峰為X型沸石及所負(fù)載的TiO2，雜峰較少，由捷德軟件計算其結(jié)晶度，結(jié)晶度達80.11%，且TiO2負(fù)載效果較好，對比晶化溫度為100、90 ℃條件下合成的沸石樣品XRD圖可知，2種條件下均可合成X型沸石，但100 ℃條件下合成的X型沸石特征峰更加明顯，晶體化程度更高，因此選用晶化溫度為100 ℃。

圖4 粉煤灰處理前后XRD圖Fig.4 XRD patterns before and after fly ash treatment

圖5 合成催化劑XRD圖Fig.5 XRD pattern of synthesis catalyst

2.2.3紅外光譜分析(FTIR)

負(fù)載TiO2合成的催化劑及不負(fù)載TiO2合成的純沸石在波數(shù)400～4 000 cm-1的紅外光譜對比如圖6所示，由圖6可知物質(zhì)的化學(xué)鍵特點。該催化劑在3 467.92、1 633.08、1 399.59、991.20、842.36、568.64、467.57 cm-1處均存在特征吸收峰，其對應(yīng)官能團類型具體見表5，其中3 467.92 cm-1及1 633.08 cm-1處的峰說明催化劑具有吸水性；467.57 cm-1處的峰表明TiO2已經(jīng)成功負(fù)載在沸石表面。對比負(fù)載前后的紅外光譜可以看出，X沸石在負(fù)載TiO2后骨架結(jié)構(gòu)依舊完整，說明催化劑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好。

圖6 X沸石負(fù)載TiO2前后FTIR對比Fig.6 Comparison of FTIR before and afterloading TiO2 on zeolite X

表5 紅外表征特征峰對應(yīng)官能團分析[22，30-32]

2.2.4掃描電鏡分析(SEM)

分別對粉煤灰原灰、粉煤灰基X沸石、粉煤灰基X沸石-TiO2光催化劑進行形貌分析，如圖7所示，粉煤灰主要由球狀玻璃體、莫來石、石英及未燃盡的炭等組成，表面光滑。主要成分中的玻璃體、莫來石及石英經(jīng)堿熔融處理后合成沸石的可能性極大。粉煤灰基X沸石SEM圖如圖8所示，可知該沸石晶體形狀為均勻分布的八面體結(jié)構(gòu)，結(jié)晶度較高且形狀規(guī)則，為經(jīng)典的X型沸石結(jié)構(gòu)，平均直徑2 μm 左右，孔隙較多，具有良好的吸附性能。

圖7 粉煤灰原灰SEM圖Fig.7 SEM diagram of raw ash of fly ash

圖8 粉煤灰基X沸石SEM圖Fig.8 SEM diagram of fly ash-based X zeolite

粉煤灰基X沸石-TiO2光催化劑SEM圖如圖9所示?？芍猅iO2均勻負(fù)載在沸石表面且負(fù)載量很高，光催化劑合成后仍具有很多孔道，并未改變沸石的原始結(jié)構(gòu)，比表面積較大，具有良好的廢水處理前景[33]。

圖9 粉煤灰基X沸石-TiO2光催化劑SEM圖Fig.9 SEM diagram of fly ash-based X zeolite-TiO2 photocatalyst

2.3 光催化性能分析

將配置的亞甲基藍溶液裝入比色皿中，用紫外分光光度計對其進行波長掃描，如圖10所示，得出最大吸收波長為666 nm，此時吸光度為1.893。配制質(zhì)量濃度為0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10 mg/L的亞甲基藍溶液，測量其吸光度，并進行曲線擬合，得出擬合曲線方程y=0.212 6x+0.005 7(其中，y、x分別為吸光度與溶液質(zhì)量濃度)，相關(guān)系數(shù)0.982 7，說明該曲線可反映出亞甲基藍溶液質(zhì)量濃度與可見光度的關(guān)系，繪制亞甲基藍溶液標(biāo)準(zhǔn)工作曲線如圖11所示。

圖10 亞甲基藍溶液波長掃描Fig.10 Wavelength scanning of methylene blue solution

圖11 標(biāo)準(zhǔn)工作曲線Fig.11 Standard working curve

反應(yīng)后溶液取樣，離心機離心，由紫外可見光分光光度計測得其吸光度，根據(jù)亞甲基藍標(biāo)準(zhǔn)工作曲線可計算反應(yīng)后溶液質(zhì)量濃度，再由式(4)計算得出去除率p(%)[34-35]：

(4)

式中，C0為初始質(zhì)量濃度，mg/L；Ce為反應(yīng)后質(zhì)量濃度，mg/L。

在最優(yōu)水平組合A3B4C3D4條件下制備最優(yōu)組復(fù)合催化劑，該組催化劑處理前配制標(biāo)準(zhǔn)溶液離心前后、反應(yīng)后溶液離心前、反應(yīng)后溶液離心5 min后的渾濁度對比如圖12所示。

圖12 處理前后溶液對比Fig.12 Solution comparison before and after treatment

由圖12可知，由于標(biāo)準(zhǔn)溶液為配制的均勻穩(wěn)定液體，因此離心前后渾濁度并無變化，相比于穩(wěn)定清澈的標(biāo)準(zhǔn)溶液，離心前的反應(yīng)后溶液渾濁度明顯增加，這是由于其中含有反應(yīng)后的懸浮物，為更清楚地觀察溶液的處理效果，進行離心操作，分離反應(yīng)后溶液中的懸浮物，由離心反應(yīng)后溶液可知，模擬廢液接近透明，這組催化劑處理效果較明顯，在黑暗及紫外光照射條件下，亞甲基藍去除率分別為42.47%和98.15%，光催化效果明顯。

3 結(jié) 論

1)由X射線衍射結(jié)果可知，經(jīng)過堿熔融處理后，粉煤灰雜質(zhì)減少，且石英、莫來石等有效融解，通過堿熔融水熱合成法成功制備了X型沸石分子篩，結(jié)晶度達80.11%。

2)在合成沸石的老化過程中，直接將TiO2負(fù)載到粉煤灰表面，制成粉煤灰基沸石-TiO2復(fù)合光催化劑，節(jié)約了生產(chǎn)成本，場發(fā)射掃描電鏡中可知TiO2負(fù)載情況良好，且TiO2的負(fù)載并未破壞沸石分子篩結(jié)構(gòu)，解決了TiO2不宜回收的問題。

3)以鈦灰質(zhì)量比、堿灰質(zhì)量比、灰水質(zhì)量比、晶化時間為影響因素通過正交試驗探究了催化劑的最佳合成條件，正交分析表明，最佳合成條件：鈦灰質(zhì)量比為1.0∶2.9，堿灰質(zhì)量比為1.5∶1.0，灰水質(zhì)量比為1∶10，晶化時間為24 h，在此條件下合成催化劑，10 mg/L的亞甲基藍模擬廢水中添加催化劑0.25 g/L，30 ℃條件下反應(yīng)1 h，在黑暗及紫外光照射條件下，亞甲基藍去除率分別為42.47% 和98.15%。