酸改性粉煤灰在廢水處理中的應用研究進展

王宏賓，杜艷霞

（神華準能資源綜合開發有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 010300）

我國是產煤和用煤大國，每年的排灰量巨大，約6億噸，不僅污染環境，也造成了潛在資源的浪費。我國粉煤灰主要用于建材、筑路回填等領域，附加值低，近年來，以粉煤灰為原料開發高附加值產品越來越受到重視。粉煤灰具有獨特的物理和化學特性，物理性質方面，含有細微炭粒，呈多孔性蜂窩狀組織形貌，化學性質方面，含有氧化硅、氧化鋁、氧化鈣等活性成分，具有一定吸附活性，因此粉煤灰應用于廢水處理有其獨特的優勢。然而粉煤灰直接用于處理廢水其吸附效果不佳[1]，因此需要進行改性，主要方法有酸改性、堿改性、熱改性等，本文就酸改性粉煤灰在廢水處理中的應用研究進展作簡要綜述。

1 粉煤灰分類

粉煤灰按照燃煤電廠鍋爐類型不同，可分為煤粉爐粉煤灰和循環流化床粉煤灰。由于兩種鍋爐的燃燒溫度分別約為1300℃和900℃，因此產生的粉煤灰的物理性能差異較大，表1為兩種粉煤灰安息角、真密度、比表面積等物理性質數據。由表可見，循環流化床灰較煤粉爐灰比表面積大、活性成分多，因此具有更佳的酸溶活性。

表1 準格爾礦區煤粉爐粉煤灰和循環流化床粉煤灰物理性質[2]

2 酸改性粉煤灰的吸附機理

粉煤灰的酸改性是酸與粉煤灰中的活性成分反應，多數改性研究選用鹽酸、硫酸或兩者混酸，也有選用HNO3、HBr、HAc為改性劑。

2.1 鹽酸改性

粉煤灰主要含有鋁、硅、鐵、鈣等元素，鹽酸能夠與粉煤灰中除硅以外大部分氧化物反應，浸出后溶液中離子以氯化物鹽為主，反應方程式可以寫作下式，鹽酸改性會導致鈣含量下降。

2.2 硫酸改性

硫酸改性時，硫酸能夠與粉煤灰中除硅以外大部分氧化物反應，浸出后溶液中離子以硫酸鹽為主，反應方程式可以寫作下式，硫酸改性粉煤灰中參與反應的鈣形成CaSO4·2H2O，硫酸改性可以有效固定鈣離子，有助于效脫含磷廢水中的磷。

2.3 酸改性對粉煤灰吸附性的影響

酸改性將粉煤灰中的鋁、鐵、鈣等成分浸出，使粉煤灰中產生空缺的位置，改變粉煤灰中Al-O-Al以及Si-OSi鍵的間距，增大晶面間距[3]；酸進入到粉煤灰表面的孔隙中，溶解堵塞孔隙的雜質。改性后顆粒表面的空洞和凹槽量增加，表明凹凸不平[4]。改性增大了粉煤灰比表面積[5]和孔隙率，有利于發生物理吸附；酸改性后的粉煤灰zeta電位由負電變為正電，在pH值1～10范圍內與帶負電的污染物離子發生靜電吸附作用[6]；酸改性過程中形成AlCl3、Al2(SO4)3、H2SiO3等鹽，易形成絡合物，在吸附過程中起到絮凝沉淀作用[7]。

3 酸改性粉煤灰在廢水處理中的應用

3.1 生活廢水

生活污水是居民日常生活排放的污水，其危害主要包括需氧有機物污染、原物污染、富營養化污染。金星等[8]以硫酸和鹽酸的混酸為改性劑，改性粉煤灰處理COD濃度314.74 mg/L的廢水，用灰量為100g/L（溶液），時，廢水COD的吸附率75.4%，粉煤灰改性后其吸附能力提高約3倍。李嘉偉[9]用2mol/L硫酸改粉煤灰，處理COD濃度350mg/L～400mg/L的污水，用灰量為150 g/L時，廢水COD去除率達84%。

3.2 含鉛、鉻（VI）等重金屬廢水

重金屬污染是指化工、冶金、機械制造等工業生產中排放的污水中含有鉛、鉻（VI）、銅、鎘、錳等重金屬元素，是對人類危害最大的工業廢水之一。劉鵬等[10]采用2.5 mol/L硫酸改性的粉煤灰，灰投加量3g/L（溶液），廢水的初始鉛濃度100mg/L、pH值為8，廢水中鉛的去除率為86.3%。賀龍強等[11]采用3mol/L鹽酸改性的粉煤灰，灰投加量6g/L（溶液），廢水的初始鉻（VI）濃度10mg/L、pH值為2～4，廢水中鉻的去除率為96.5%。認為弱酸性環境更有利于吸附，溶液pH值過大時OH-與鉻（Ⅵ）產生競爭吸附。

3.3 含磷廢水

含磷廢水主要來源于生活廢水、工業廢水以及畜牧業和農田排水。水中磷超標后，會引起水體富營養化。曾春慧等[12]采用2mol/L硫酸改性的粉煤灰/爐渣，灰投加量2g/L（溶液），模擬含磷廢水的初始磷濃度10mg/L、pH值為8，廢水中磷的去除率為93%。余榮臺等[4]采用鹽酸和硫酸的混酸對粉煤灰進行改性，改性灰投加量15g/L（溶液），模擬含磷廢水的初始磷濃度30 mg/L、pH值為7，廢水中磷的去除率為96%。

3.4 含有機染料廢水

工業染料廢水來源于制造染料、顏料的生產過程。我國染料產量約占世界總產量的70%，而每生產1噸染料約產生廢水30m3～100m3，該類型廢水種類繁多，性質各異，共同特點是難生物降解、色度深、對人的健康有害。

賈艷萍等[5]采用混酸（VHCl/=1:1）對粉煤灰進行改性，改性灰投加量15 g/L（溶液），模擬染料廢水的pH值為6～8，廢水中COD去除率為64%、脫色率為84%。王占華等[13]采用2mol/L鹽酸對粉煤灰進行改性，改性灰投加量20g/L（溶液），大紅染料廢水的初始濃度30mg/L、pH值為2，廢水中大紅染料脫色率為97.72%。

3.5 含抗生素廢水

磺胺抗生素是一類人工合成的抗菌藥，廣泛應用于醫藥和水產養殖等行業，在其生產、使用過程中產生含抗生素廢水，目前磺胺抗生素在自然環境中不斷被檢出，對生態環境造成威脅。凌琪等[14]采用鹽酸和硫酸的混酸對粉煤灰進行改性，改性灰投加量160g/L（溶液），初始磺胺二甲基嘧啶濃度10mg/L、pH值為6，廢水中磺胺二甲基嘧啶的去除率為89.85%，可以一定程度解決水中抗生素的污染。

4 展望

粉煤灰作為一種多孔材料可以吸附廢水中的污染物，通過簡單的酸改性即可使其處理廢水的能力明顯提升，同時酸改性粉煤灰應用于廢水處理領域也取得了很大的進展，呈現出吸附性能好、節約資源、成本低的優勢。但改性粉煤灰在廢水處理中的應用還存在一些課題需要深入研究。

（1）煤粉爐粉煤灰與循環流化床粉煤灰有很大的酸溶活性差異，因此兩種改性粉煤灰的吸附性能也會有差異，需要開展對比研究。

（2）粉煤灰改性過程中，部分可溶性氧化物與酸反應進入到浸出液中，包括鋁、鈣等常量元素以及多種重金屬元素。如何處理酸改性粉煤灰產生的浸出液逐漸成為新的問題。

（3）改性粉煤灰使用后，吸附了廢液中的有害物質，若使用過的粉煤灰處理不當，會再次產生污染。如何高效再生以及無害化回收改性粉煤灰，需要進一步研究。

（4）高鋁粉煤灰酸法提取鋁及有價金屬元素成為研究熱點，然而如何處理提取鋁后殘渣成為產業化難點之一。粉煤灰提取鋁后的殘渣具有比表面積大、活性高的特點，是潛在的處理廢水的吸附材料，需要開展相關理論和應用研究。