粉煤灰作為固廢的有效利用途徑

鋼迪嘎

（錫林郭勒職業學院褐煤粉煤灰工程技術研究院，內蒙古 錫林浩特 026000）

從全球能源消耗來看，煤炭消費一直高于其他能源，如石油、天然氣、水電、風能以及核能等，世界能源需求的將近30 %由火力發電廠供應。中國是世界上最大的煤炭消耗國家，其2012年消耗量占全球煤炭消耗的50.2%，中國工業增長的將近70 %靠煤炭資源。但是，燃煤會帶來大量粉煤灰，全球每年產生7.5億t左右粉煤灰，因其較為復雜的化學成分和大量的排放，對人類生活和生態環境都造成一定的危害，污染土壤、水資源以及大氣等環境。

粉煤灰因煤質、燃煤方式、收集方式等的不同，其化學成分較為復雜，物理化學特性也有所不同。從物理性質看，粒徑普遍小于20 μm、容重在0.54～0.86 g/cm3、比表面積在300～500 m2/kg，具有輕薄質地性質。粉煤灰主要含有的化學元素為Si、Al、Fe、Ca等，也含有一定量的As、Pb、Ni、Cr、Cd等重金屬元素。在不同粉煤灰中，大概含有316個礦物個體和超過188個礦物組合，這些礦物組成不僅有礦物晶體，也有非晶態玻璃，主要為莫來石、石英、磁鐵礦、赤鐵礦、方解石等，主要金屬氧化物為SiO2、Al2O3、Fe2O3等[1]。粉煤灰的物理、化學和礦物特性對其資源化利用帶來了諸多可能性，增大了資源化利用潛力。

資源化利用粉煤灰不僅是處置固廢的一種很好選擇，也是獲得友好型環境的有效途徑。國內外對粉煤灰的資源化利用主要有以下途徑：土壤調理劑、建筑工程、陶瓷、制備催化劑、沸石制備以及有價值金屬元素提取等。

1 土壤調理劑

粉煤灰具有粉沙顆粒物、松散多空、低容重、含有一些植物所需元素等物理化學特性，因此具備作為土壤改良劑的可能性，其可以改善土壤結構，增加透氣透水性，縮小膨脹。

土壤pH在6.5～7有利于植物的生長，因此可通過粉煤灰釋放的Ca2+、Na+和OH-等離子改善土壤pH，達到改良土壤的效果。用兩種酸性（pH值分別為3.28、3.96）和堿性（pH值分別為9.04、10.77）粉煤灰分別處理酸性砂質黏土和黏壤土，將堿性F型粉煤灰添加至36和108 t/hm2后，結果發現，將上述土壤pH分別調高至2、2.3后，酸性粉煤灰沒有明顯的pH調理效果[2]。粉煤灰中含有利于農作物和其他植物生長的P、K、Na、Ca等營養元素。將堿性粉煤灰用作土壤調理劑處理壤質沙土后，堿性粉煤灰不僅提高了原土壤的pH值，還提高了植物可吸收的K、P等元素含量，同時沒有使原土壤的重金屬含量超出可控范圍[3]。

2 建筑工程

國內外粉煤灰利用中，很大一部分用作建筑材料，如水泥、混凝土及其他墻體制品等。雖然資源化利用附加值較低，但是粉煤灰用量大、成本較低，因此它一直是粉煤灰綜合利用的重要途徑。

由于粉煤灰中CaO含量較高，其具有很好的黏結性和火山灰特性。例如，C型粉煤灰（CaO含量＞15%）具有黏結性和火山灰活性，而F型粉煤灰（CaO含量＜15 %）只有火山灰特性。利用粉煤灰火山灰活性，人們可以把它作為水泥替代品，摻入混凝土和其他建筑工程中。粉煤灰中大多數顆粒物為表面光滑緊密的球形玻璃體，摻入混凝土后可改善混凝土和易性，減少用水量，提高混凝土的強度。其中，微細顆粒填充在孔隙和毛細孔中，具有增加密實度、降低水化熱反應、抑制混凝土堿骨料反應的作用[4]。人們可以將富含鈣的水泥窯粉塵和硅含量較高的粉煤灰分別以20 %和10 %的比例混合制成具有火山灰特性的建筑黏結劑，用于可拆卸建筑中。在混凝土骨料、磚頭、瀝青混凝土路面中應用上述黏結劑，具有很好的經濟效益和環保效益，人們通過無側限抗壓強度試驗和三軸重復荷載試驗發現，這種黏結劑能達到理想的強度和耐久性[5]。粉煤灰基建筑材料可降低水耗量、提升建筑材料強度和降低溫室氣體的排放，與此同時可降低生產和施工成本。

3 陶瓷行業

粉煤灰含有SiO2、Al2O3、Fe2O3等金屬氧化物。這些氧化物使粉煤灰成為制作陶瓷的可選材料。基于Li2O-Al2O3-SiO2三元體系的玻璃陶瓷材料因其低熱膨脹系數具有很好的工業應用前景，但是這種三元材料制備成本較高。因此，研究人員以粉煤灰制備出結構為Li2Al2Si3O10的三元體系材料，其熱膨脹系數小于市場銷售的鋰玻璃陶瓷18 %，而且有很好的晶體結構和細小晶粒[6]。研究人員將粉煤灰（60%～64%）、鋁（10 %）、碳酸錳（22%～26%）混合物與甲基纖維素混合研磨，壓成盤狀樣，在900～1 300℃溫度下燒結4 h制備出α-堇青石陶瓷，這種陶瓷具有低熱膨脹系數、低介電和高耐火等性質，可用作凈化尾氣材料或催化劑載體、難熔金屬涂層等[7]。

4 制備催化劑

金屬和金屬氧化物經常用作工業催化劑，而粉煤灰含熱穩定性較好的多種金屬氧化物，可制備用作氣相、液相和固相反應的有效催化劑。用粉煤灰制備三種非均相芬頓類催化劑（粉末狀、顆粒狀和Fe2O3/粒狀），結果表明酸性處理粉煤灰催化劑初始催化性優于堿性處理和熱處理，三種粉煤灰催化劑可使水中COD（化學需氧量）去除有很好的效果，去除率可達到57%。在草酸鹽預調節pH值的前驅體溶液Fe（NO3）3浸12 h可制備出較好的Fe2O3/粒狀粉煤灰催化劑，Fe2O3/粒狀比另兩種粉煤灰催化劑催化性能較高[8]。研究人員以粉煤灰作為載體，用等體積浸漬法負載NiO、CuO、Fe2O3等不同的活性組分，制備出不同單組分和雙組分的催化劑，NiO/粉煤灰催化性能最佳，NiO/粉煤灰催化劑投加到臭氧氧化處理亞甲基藍模擬廢水體系中，處理效果有顯著的提高，去除率能提高到99.12%[9]。

5 制備沸石

沸石為硅鋁酸鹽晶體，有均一微孔結構和三維空曠骨架結構，可用于工程和農業中，包括水處理、廢氣凈化、土壤調理等領域。粉煤灰與沸石相似的結構和火山灰特性，使粉煤灰成為人造沸石原材料，有很好的環境保護效應。在堿激發劑條件下，水熱結晶的過程可制備出沸石，在NaOH、KOH、Na2CO3、NaOH/KOH、Na2CO3/KOH等堿激發劑存在的條件下，以水熱法研究制備沸石的機理后發現，整個沸石合成速率取決于堿性環境中的Na+濃度，而Na+和K+共同存在的堿性環境中沸石結晶程度隨著K+濃度升高而下降，整個沸石合成過程可分為溶解、凝膠和結晶，三者同時進行，沒有先后之分[10]。通過NaOH作為堿性介質的水熱反應，人們可以合成NaP1沸石，其純度較高，主要礦物成分為NaP1沸石，其陽離子交換容量（CEC）達213 cmol/kg，比表面積達29 m2/g，分別是原粉煤灰的100倍和26倍，具有很好的吸附材料應用前景[11]。

6 金屬元素提取

粉煤灰中含有鍺、鎵、釩、鈦和鋁等可用于電信、光通信、航空航天等行業的有價值金屬元素。

對于粉煤灰中的鍺元素，人們可用單寧共沉淀法、GeCl4蒸餾法、活性炭吸附法、樹脂交換法等方法將其從粉煤灰中分離出來[1]。研究人員用離子交換法從粉煤灰中提取鍺元素，鍺與鄰苯二酚絡合，最終絡合產物保留在強堿性陽離子樹脂中，最大的保留量為215.5 mg/g，最后用50%乙醇HCl溶液完成鍺絡合物的洗脫[12]。

對于粉煤灰中的鎵元素，人們可以運用鹽酸酸浸和溶解在煤油中的離子交換樹脂雙溶劑（Amberlite LA-2和LIX 54）萃取方法將其從粉煤灰中提取出來。酸浸出液首先用LA-2提取鎵和鐵，然后用氫氧化鈉沉淀鐵，而鎵溶解在酸浸出液中，最后用LIX 54從溶液中選擇性提取鎵，在酸浸出溶液含有83%含量的鎵[12]。

鋁元素在粉煤灰中的相對含量較高，從粉煤灰中提取鋁元素的方法大致可分為：煅燒方法、酸浸出和HiChlor法。研究人員將粉煤灰和碳酸鈣按一定比例混合，用微波進行輻照熱火化，結果表明，經800℃加熱60 s后，粉煤灰中氧化鋁提取率可達95%，這種方法具有快速低能耗活化優勢，氧化鋁提取率也較高。粉煤灰和碳酸鈉在900℃下煅燒后產生可溶性鋁酸鹽，硫酸浸出燒結產物以生成含有鋁元素的溶液，其萃取效率高達98%[13-14]。雖然有很多種方法可以從粉煤灰中提取鋁，并且提取效率也較高，但是這些方法都存在缺點，使得大部分停留在實驗室。比如，酸浸出方法可以使粉煤灰中的鋁元素溶解在酸溶液中從而方便鋁的提取，但是這種方法需要耐酸處理設備且浸出液的成分較復雜、處理比較難。煅燒方法回收1 t氧化鋁時，產生大約7～10 t硅酸鈣殘渣，這些殘渣除了用于制造水泥外，沒有別的有效利用方法。

7 結論

近年來，我國日益重視可持續發展，人們的環保意識越來越強，對粉煤灰綜合再利用是迫切需要的。粉煤灰綜合利用途徑有很多，現在仍以附加值較低的建筑工程為主，而金屬元素提取等高附加值利用還主要停留在實驗研究階段，工程應用很少。因此，人們應當加大技術研究力度和工程應用投入，提高粉煤灰綜合利用的附加值。

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