粉煤灰表面設計改性及功能化研究進展

高美玲，譚鵬程，金石，萬祥龍

（安徽理工大學材料科學與工程學院資源循環系，安徽淮南232001）

粉煤灰作為一種成分復雜的大宗固體廢棄物，其綜合利用一直是重要的研究內容。目前粉煤灰多被作為一種填充材料用于混凝土材料中[1]，還有一些提取其中的有效化學成分研究，如粉煤灰精細化制備氧化鋁和白炭黑[2]，或利用其成分制備地聚物[3]、分子篩[4]和微晶玻璃[5]等，利用其含有的硅鋁酸鹽與其他材料制備功能陶粒或無機陶瓷材料等[6]。粉煤灰的多孔吸附性可以被用來吸附廢水中的有機物[7]和重金屬[8]等。總之，粉煤灰是一種價格較便宜、應用較為廣泛的固體廢棄物，但在一些低附加值的應用中，貯運環節會占據較大成本，影響了其作為材料應用的發展。而對粉煤灰顆粒進行表面改性，再負載一些功能助劑，可得到一種新型的功能材料。該方法可以大大提高粉煤灰利用時的附加值，能極大調動企業對粉煤灰深度利用的積極性，促進粉煤灰的深度資源化。

1 粉煤灰改性的研究現狀

通過對粉煤進行改性的方法，可以得到更大比表面積的產品，能夠更好地發揮吸附性能。利用物理改性方法，如機械研磨[9]、微波處理[10]、超聲波[11]和高溫處理[12]等，可以破壞粉煤灰玻璃體網絡結構，增大比表面積，還可以通過鍍膜[13]的方法改變粉煤灰顆粒的電磁性能；利用化學改性的方法，如火法改性[14]、水熱改性[15]、酸改性[16]、堿改性[17]、礦物鹽改性[18]、氧化鈣[19]處理等，也可以破壞硅酸鹽網絡結構，促進玻璃體表面溶解，提高比表面積和離子交換能力等。

化學改性的方法還包括使用表面活性劑的改性，如陽離子表面活性劑[20，21]處理、偶聯劑處理[22]和硬脂酸[23]處理等，陽離子表面活性劑可以改變粉煤灰顆粒表面電性，提高其表面的吸附能力，主要用于各類廢水處理過程中；硬脂酸可以達到疏水改性的目的，使得粉煤灰在聚合物（如PVC，PP）中作為填充料[24]；偶聯劑改性處理方法可以提高無機顏料的分散性和玻璃、金屬表面粘接力等，這些方法在處理粉煤灰時均具有不錯的效果，已經在各類應用中表現出良好的效果。

2 粉煤灰顆粒表面設計改性方法與研究

對粉煤灰顆粒的表面設計改性方法很多，一般都是通過界面上的基團設計，然后負載相應的功能團得到粉煤灰基功能材料。

2.1 粉煤灰基疏水薄膜材料

疏水性薄膜有很多應用的場合，如建筑外墻、包裝材料、防霉的場所等。如對煤粉灰的表面進行陽離子分散松香膠疏水改性，制備具有疏水性的纖維材料[25]。采用硬脂酸對粉煤灰進行改性，再利用有機/無機復合材料中的顏體體積濃度與臨界顏料體積濃度之間的關系，調整薄膜疏水性能[26]。總之，利用粉煤灰制備的疏水薄膜材料成本低廉，可以用于包裝材料和防霉要求較高的場合，具有較好的實用性。

2.2 粉煤灰基復合調濕材料

粉煤灰基調濕材料是對粉煤灰進行親水性改性后，復配親水性聚合物和鹽可得到復合調濕材料[27]，可以制備成粉末，也可以制備成涂料，廣泛應用于不同的場合，具有無源、智能調濕、成本低廉和節能環保的優點[28]。粉煤灰與PVA復合膜進行不同濕度下的吸濕性測試情況，其相同體積的薄膜調濕與水分子在其內部的溶脹擴散相關，在不同的濕度下表現出具有較大的吸濕量，表現出良好的調濕能力。此復合調濕材料若用于內墻涂料中，能自動調節室內空氣中的濕度，表現出優異的吸放濕功能[29]。而且此過程無需電源控制，節能環保，可根據所處的環境進行智能調濕。此類調濕材料成本較低，適合應用于家庭居室、圖書館等需要進行濕度控制的場合[30]。

2.3 甲醛捕捉材料

室內或車內甲醛問題是影響到人們健康的大問題，當前的處理甲醛方法很多，但大多數處理方法存在著各種各樣的局限性，達不到國家的限量標準（最高限量0.08 mg/m3）。如活性炭吸附甲醛極易吸附飽和，在一定條件下還會發生解吸附；植物消除甲醛效率低下；甲醛捕捉劑的噴灑只能應用于短期，且容易造成居室環境的污染；光催化材料要求環境中有特殊的光激活才能持續作用；氧化型消除甲醛所用的負離子材料易有輻射污染，等等。

采用對粉煤灰[31]進行改性后負載甲醛捕捉劑，相當于結合了物理吸附與化學中和的兩種效應。一方面物理吸附過來的甲醛與捕捉劑反應，不存在解吸附的問題，徹底地消除了甲醛；另一方面甲醛捕捉劑在粉煤灰上的負載，避免了對居室環境的污染，能24 h持續地消除甲醛，使用方便，能夠更徹底消除甲醛[32]。

利用甲醛捕捉劑在粉煤灰表面的負載，可以得到性能極佳的環境凈化材料，具有非常高的附加值。在具有良好經濟效益的同時，也具有非常好的社會效益。

3 改性粉煤灰應用展望

以上應用是粉煤灰通過表面改性功能化的一部分例子，這類改性方法具有非常強的針對性，容易進行表面設計，把固廢粉煤灰變成了一種功能材料。總之，只有合理、充分、深度利用粉煤灰，才能真正地讓粉煤灰不再是一種固體廢棄物，而成為一種價格低廉、性能優異的工業原料。

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