粉煤灰基X沸石的制備及應用進展

王睿，王連勇，2，何艷，崔家新

(1.東北大學 冶金學院，遼寧 沈陽 110819； 2.國家環境保護生態工業重點實驗室，遼寧 沈陽 110819)

我國以煤炭為能源核心，是世界煤炭消費第一大國，2019年煤炭能源消費總量約為能源消耗總量的57.7%。火電廠燃煤發電是我國電力的主要來源，燃煤發電時產生的固體廢物燃煤飛灰(CFA)是目前我國最大的固體廢物之一，2018年，中國CFA年產量超過5.5億t，由于利用不足，累計CFA已超過30億t[1]。

粉煤灰是煤在高溫環境下燃燒后，通過靜電除塵、布袋除塵等方法在燃燒爐煙氣中捕獲的類似粉塵的粉末狀的硅鋁酸鹽固體廢物[2]。粉煤灰的顏色通常呈現為灰白色或者灰黑色，密度在1.9～2.9 g/cm3，比表面積為300～500 m2/kg，粒度差異較大，從1 μm 至數百微米不等，但通常小于75 μm。粉煤灰的化學成分復雜，含有Si、Al、O、C、Mg、Fe、Ca、K、Na等11種常量元素和Hg、Pb、Ni等微量元素，主要化學組成是SiO2和Al2O3，兩者相加約占80%。粉煤灰的內部含有多孔、不規則的無定形的細小硅酸鹽玻璃體，這占粉煤灰質量分數的60%以上，在粉煤灰的晶體相成分主要包括莫來石、石英、鐵礦以及少量的殘炭[3-5]。

粉煤灰的大量堆積會侵占農業用地，粉煤灰易隨風轉移，對空氣、水資源、土壤造成嚴重污染，亟需進行資源化利用。當前粉煤灰的利用集中在建筑行業與道路工程方面：鋪路、礦山回填、水泥、混凝土等，約占粉煤灰產量的56%，但是產品的附加值較低，粉煤灰高附加值領域的應用較少，僅占10%左右[1，6]。

自然界中存在有天然的沸石，但是資源量有限，且開采出的天然沸石的理化性質并不一定能夠滿足特定的需要。粉煤灰中含有的主要物質是SiO2和Al2O3，與合成天然沸石的火山灰成分相似，并且粉煤灰與沸石有相似的多孔物理結構，來源廣泛，價格低廉，這說明粉煤灰是合成人工沸石的理想原材料[8]。以廢棄物粉煤灰為原料合成的X沸石具有孔徑大、空隙率大、離子交換容量大等優點，在作吸附劑、催化劑、離子交換劑等方面具有很大的應用潛力，能夠起到處理廢水、凈化煙氣、分離氣體等方面的作用，在對粉煤灰實現綠色高附加值利用的同時能夠達到國家“以廢治廢”、可持續發展戰略目標。

1 X沸石簡介

X型沸石屬于立方晶系，電子顯微鏡下X沸石的樣貌為正八面體。X型沸石主要包含10X沸石與13X沸石，10X沸石的主要陽離子為鈣離子，13X沸石的主要陽離子為鈉離子，沸石的比表面積范圍在500～800 m2/g[9]。X沸石的結構組成見圖1，是由方鈉石籠與雙六元環相連接而形成的。X沸石的骨架構成見圖2。

圖1 X型沸石的結構組成Fig.1 Structural and composition of zeolite X

圖2 X型沸石的骨架Fig.2 Framework of zeolite Xa.只顯示Si；b.顯示Si與O

2 粉煤灰合成X沸石

2.1 預處理

粉煤灰本身的活性較差，直接利用原料粉煤灰合成X沸石的結晶度與純度不高。為了合成理想的沸石產品以更好地進行應用，需要對粉煤灰進行預處理。常見的預處理方法可以分為物理法與化學法。

2.1.1 物理預處理方法 物理法預處理主要是機械研磨法與磁選法。

2.1.1.1 機械研磨 通過機械研磨能夠使粉煤灰的粗大顆粒變得細小，粒徑分布更加均勻，增大比表面積，破壞包裹有效成分SiO2與Al2O3的玻璃外殼，增加表面活性位點并提高化學反應活性。陳群玉[10]認為機械粉磨不僅能夠改變原料粉煤灰的物理性質，還能夠誘導物理化學反應。隨著粉磨時間的增長，首先是粉煤灰中較大的顆粒破碎，顆粒變小并且趨向于無定形，平均粒徑和粒度分布的范圍變??；繼續研磨，細小的顆粒團聚，形成二次團聚體；研磨后期形成了顆粒破碎與團聚的動態平衡。

2.1.1.2 磁選 磁選的目的是除去粉煤灰中的磁性物質，主要是磁鐵礦與赤鐵礦。在合成沸石的過程中，磁性氧化鐵會抑制結晶，降低合成的沸石樣品的純度，進而導致沸石的催化性能以及吸附性能下降。磁選能夠有效地降低粉煤灰中的鐵的含量，不僅能夠使最終合成的沸石樣品的網絡結構更加完整，還能增加沸石的白度[11]。

2.1.2 化學預處理方法 化學預處理方法主要包括高溫焙燒、酸洗、堿熔。

2.1.2.1 高溫焙燒 粉煤灰是煤在高溫環境下燃燒所形成的飛灰，不可避免地粉煤灰中會含有部分未燃盡的碳以及有機物。王璐[12]對原料粉煤灰進行多次高溫焙燒，燒失量大約為15%，減少的成分主要是未燃盡的碳。焙燒后，粉煤灰的顏色由灰黑色轉變為赤褐色。訾昌毓[13]對焙燒前后的粉煤灰進行檢測發現，焙燒后的粉煤灰的分散度更高，表面積更大。此外，煅燒活化能將難溶于氫氧化鈉溶液的硅鋁酸鹽晶體礦分解為易溶于其中的硅鋁酸鹽和硅鋁酸鹽礦。

2.1.2.2 酸洗 酸洗是將原料粉煤灰與鹽酸或者硫酸按照一定的比例在加熱條件下攪拌進行反應。對原料粉煤灰進行酸洗的主要目的是去除原料粉煤灰中的有機質以及金屬氧化物如CaO、MgO、Fe2O3等[14]。呂晨培[15]使用2 mol/L的HCl作酸洗液，按照1∶9的灰酸質量比來處理粉煤灰，經過XRF檢測后得CaO、Na2O、Fe2O3、MgO雜質含量分別降低了50%，83.65%，48.96%，73.94%。酸洗之后的粉煤灰中硅鋁有效成分所占的比重上升，為后續合成沸石打下基礎。但是酸洗的過程中氧化鋁也會溶出，在后續合成沸石的過程中可能需要調節硅鋁比，因此需要對酸的濃度、酸洗溫度、酸洗時間、固液比等參數進行控制。

2.1.2.3 堿熔 堿熔是將粉煤灰與固體強堿按照一定的堿灰質量比例充分研磨后放入馬弗爐中在高溫環境下焙燒。在粉煤灰中，石英相與莫來石相是主要的晶相組成，強堿的加入能夠破壞其中的 Si—O—Si 和Si—O—Al鍵，進一步使得石英相轉變為硅酸鹽，將莫來石相轉變為鋁硅酸鹽[16]。堿熔是堿熔融水熱合成法的關鍵步驟，在此過程中需要對焙燒溫度、焙燒時間進行控制以達到最好的效果。

2.2 粉煤灰基X沸石合成方法

粉煤灰基X沸石的合成方法有水熱法與輔助復合水熱法。水熱法指只進行水熱合成反應的方法，包括一步水熱法與兩步水熱法[17]。輔助復合水熱法指水熱法與其他技術結合使用，包括堿熔融水熱合成法、超聲微波輔助合成法、晶種誘導法、鹽熱合成法、逐步升溫法、滲析水熱法等。在這些方法中，一步水熱法、堿熔融水熱法以及堿熔融與其他技術結合的方法使用較多。

2.2.1 一步水熱法 一步水熱法是將粉煤灰與一定濃度的強堿溶液混合后裝入反應釜中進行老化以及水熱晶化反應后形成沸石產品的方法。該方法的操作流程簡圖見圖3。

圖3 一步水熱法流程簡圖Fig.3 Flow chart of one-step hydrothermal method

Grela[18]將原料粉煤灰與NaOH的水溶液在低溫的環境下經過一步水熱法合成了微孔數量較多、吸附效果良好的X沸石，合成的材料比表面積達到213.2 m2/g。將粉煤灰化學轉化為沸石分為三個階段，首先是硅鋁離子的溶解，然后是硅鋁酸鹽凝膠發生沉積，最后沸石從沉積的凝膠中成核，結晶生長。Tauanov[19]認為包括非晶態固相和晶態固相以及至少一個液相的多相晶化的水熱合成法仍然是應用最廣泛的方法。分析了該法合成沸石的過程中各工藝參數即水熱反應溫度、反應時間、堿液濃度、液固比以及粉煤灰的硅鋁比等因素對粉煤灰合成沸石轉化率的影響。Czarna[20]將原料粉煤灰與濃度為 3 mol/L 的氫氧化鈉溶液按照液固比為25∶1的比例混合后在80 ℃環境下晶化24 h后經過過濾烘干得到Na-X沸石。合成的沸石用于濕法脫硫廢液中汞離子的去除并表現出良好的吸附性能。

一步水熱法是利用粉煤灰合成沸石的最基礎的方法，實驗流程簡單，但是反應所需的時間長，合成的沸石樣品的純度和結晶度較低。

2.2.2 堿熔融水熱合成法 堿熔融水熱合成法是將原料粉煤灰的堿熔融活化與水熱法結合起來的方法，該法的流程簡圖見圖4。

圖4 堿熔融水熱合成法流程簡圖Fig.4 Flow chart of alkali fusion hydrothermal synthesis method

在水熱晶化前加入堿熔步驟，形成水溶性硅酸鈉和鋁酸鈉化合物，鈉離子充當沸石晶體結構的子結構單元的穩定劑[21]。該方法的反應過程可以分為四步[22]。

NaOH+xAl2O3·ySiO2→Na2SiO3+Na2AlO2

→NaOH(aq)+Na2Al(OH)4(aq)+Na2SiO3(aq)

→[Nax(AlO2)y(SiO2)z]NaOH·H2O(gel)

→Nap[(AlO2)n(SiO2)q]·hH2O(zeolite)

在該方法中，影響沸石合成的因素有粉煤灰與固體強堿的質量比、高溫焙燒時的溫度與時間、硅鋁比、熟料與超純水的質量體積比、老化時間、晶化溫度與晶化時間。高聞言[23]探究發現相較于A型沸石，Na-X沸石對合成條件要求更高，表現為：對原料的活化程度要求高；對堿度環境要求嚴格，過高過低都不能合成理想的X沸石；對晶化時間，晶化溫度的要求高，結晶時間過長會發生轉晶現象而形成雜晶。

Sivalingam[24]對合成過程中的堿灰質量比、晶化溫度、晶化時間參數進行了優化。經過高溫焙燒與酸洗預處理后的粉煤灰在堿灰質量比為1.25∶1，焙燒溫度500 ℃，焙燒時間1 h，灰水比為1∶15，老化16 h，100 ℃ 環境下晶化10 h的最優條件下結晶度達到76%，產品成品率88%。后續使用合成的沸石產品對結晶紫染料進行吸附，最大去除率達到99.62%。劉爽[25]通過堿熔融水熱法制備X沸石，并利用其負載TiO2進行光催化降解亞甲基藍，在實驗參數為粉煤灰∶NaOH∶Na2CO3為1∶1.5∶0.3，在550 ℃條件下焙燒2 h，晶化溫度為70 ℃，晶化時間為24 h的條件下合成的沸石去除效率最高達81%。

除此之外，以堿熔融水熱方法合成的沸石在處理廢水中的重金屬離子方面表現出良好的離子交換能力與吸附能力[26]。堿熔融水熱合成法需要控制的變量較多，但是該方法對原料粉煤灰活性的激發效果明顯，合成的沸石產品純度較高，對設備、技術等方面的要求不高，因此目前堿熔融水熱合成法已成為實驗室粉煤灰基沸石的主要合成方法。

2.2.3 堿熔融水熱法與晶種法結合 該方法將晶種誘導法與堿熔融水熱法結合起來，在粉煤灰與堿液的混合溶液中加入合成的特定的晶種以縮短成核時間從而縮短反應周期。

任曉宇[27]以18Na2O∶Al2O3∶14SiO2∶370H2O的比例制得最佳晶種，將晶種加入到陳化后的粉煤灰熟料溶液中進行晶化反應，在最佳實驗參數條件下制得的X沸石的結晶度達到92.3%。此外文章指出，加入晶種后在晶化0.5 h時，結晶度達到 86.7%，遠高于未加入晶種時的25%，并且晶種的加入能夠有效地抑制雜晶的生成。肖立峰[28]以NaAlO2、Na2SiO3、NaOH、H2O為原料制得晶種，結合堿熔融水熱法制得結構完整、有明顯的八面體形狀且顆粒分布松散的X型沸石。以該沸石作為催化劑載體負載Mn、Ce，在低溫環境下表現出良好的脫硝性能。Lü等[29]以粉煤灰為原料采用堿熔預處理與晶種誘導合成了純X型沸石并將其應用于銨根離子的去除，銨根離子的去除率能夠達到70.24%。

晶種的加入能夠大幅縮短晶化過程所需要的時間，加快晶核的形成以及生長，合成的沸石結晶度和純度較高。但是探究最佳晶種比例過程中增加了成本且晶種誘導的機理尚不明確。

2.2.4 堿熔融水熱法與微波/超聲波輔助結合 超聲波與微波能夠作用在原料粉煤灰與堿混合階段、老化階段或者水熱晶化階段。Ojumu[30]認為高強度的超聲會產生劇烈空化，這可能會導致熱點或局部溫度超過5 000 K，為原料粉煤灰的活化提供充足的能量。而當超聲應用于液體或者漿體時，波中的低壓力會導致蒸汽氣泡的形成，而氣泡會猛烈地爆破，也會導致高度強烈的聲空化，這樣使得以較低的晶化溫度和較短的晶化時間合成的X型沸石成為可能。Boycheva[31]研究發現，超聲能夠促進硅鋁的溶解，增加二次成核速率，擴大反應表面積，從而有利于沸石晶體的生長，并且縮短了粉煤灰沸石化的總體處理時間。并且經過超聲處理的NaX沸石具有更高的外比表面積。Ozdemir[32]利用超聲波的能量把老化時間從24 h縮短至2 h。達到此效果的原因是：①超聲波增加了可溶性硅酸鹽的濃度；②超聲形成的氣泡起到了成為晶體生長的核心作用，提高了成核率。

微波/超聲波的加入能夠提供能量并且縮短晶化時間，是對傳統合成方法的改良，但單純使用微波/超聲波輔助水熱方法合成沸石收益并不高，因此將它與其他方法聯合使用能夠起到揚長避短的效果。

由粉煤灰合成沸石的各方法流程簡圖見圖5。

圖5 粉煤灰合成X沸石的各方法流程簡圖Fig.5 Flow chart of methods for synthesis of zeolite X based coal fly ash①為一步水熱合成法；②為兩步水熱合成法；③為堿熔融水熱合成法；④為堿熔融水熱法與超聲波/微波結合方法；⑤為堿熔水熱法與晶種結合方法

3 粉煤灰基X沸石的應用

X沸石是晶態水合硅酸鋁，具有高度多孔的3D骨架，包含不同的籠狀和空腔結構，加之具有高度的穩定性以及環保性，沸石可以用作吸附劑、離子交換材料、催化劑以及催化劑載體[33]，應用于廢氣的處理、廢水的處理以及其他領域。

3.1 廢氣的處理

粉煤灰基X沸石在處理廢氣時常作為吸附劑使用，有時會作為負載型催化劑對氣體如NO等進行催化氧化或者催化還原。

3.1.1 處理CO2粉煤灰基X沸石具有大的比表面積與獨特的籠形結構以及較大的孔徑，具有很好的CO2吸附選擇性，吸附容量較大，因此適合作為吸附CO2的材料。X沸石能夠在吸附CO2時產生弱的范德華力以進行物理吸附作用。對于短期內CO2的捕獲，物理吸附是最節能的過程。物理吸附的CO2也可以很容易地通過變壓或變溫過程從吸附劑中解吸出來進行富集以進行進一步的利用[34]。Verrecchia等[35]采用堿熔融水熱法合成了X沸石，并對其吸附CO2的能力進行探究，在最優實驗條件下合成的材料的吸附容量達到3.3 mol CO2/kg，是商業13X沸石吸附容量的86%。X沸石除了具有良好的CO2吸附能力外，還易于再生，能夠在吸附-脫附循環中發揮作用。Aquino[36]采用堿熔融水熱法合成了峰形明顯、結晶度良好的X沸石，通過吸附實驗得到合成的粉煤灰基沸石的吸附容量約為商用沸石的82%。著重考察了沸石的吸附脫附再生的性能，在5次吸附-脫附循環后，CO2的捕獲量幾乎保持不變，因此粉煤灰基X沸石能夠用于循環吸附脫附CO2。

X沸石除了作為吸附劑對CO2進行吸附捕集之外也可以作為負載型催化劑對CO2進行催化。Czuma[37]用堿熔融水熱法合成了粉煤灰基X沸石，并用硝酸鎳(Ⅱ)對其進行了浸漬，經過烘干與高溫煅燒后得到Ni/X沸石材料來作為CO2甲烷化的催化劑。在450 ℃實驗條件下，Ni/X催化劑催化CO2轉化率在50%。轉化率較低的原因可能是強堿性中心以及Ni相的不完全還原導致的，但這為粉煤灰基沸石處理CO2提供了新的思路。

在國家推行“碳中和”、“碳達峰”的背景下，粉煤灰基X沸石優異的吸附性能與催化性能能夠產生積極的作用與影響。

3.1.2 其他廢氣 粉煤灰基X沸石除了對CO2有良好的去除作用外，對于其他的氣體如NO、NO2、SO2、VOC等氣體也有良好的去除效果。

Zhao等[41]以X沸石作為催化劑載體，在其上負載Cu形成Cu/X催化劑。以CO作為還原劑對SO2與NOx進行同時脫除。該催化劑在后續的實驗中表現出良好的催化性能，對SO2的去除率幾乎為100%，對NOx的去除率接近90%。

粉煤灰基X沸石在處理廢氣方面表現出良好的去除效率，是未來工業上在末端治理廢氣環節的理想吸附劑、催化劑。

3.2 廢水的處理

粉煤灰基X沸石表面疏松多孔，比表面積大，通道寬，具有很大的吸附容量和良好的陽離子交換性能，是處理廢水的理想材料。

表1 粉煤灰基X沸石處理廢水實例Table 1 Examples of wastewater treatment with zeolite X based coal fly ash

3.3 其他應用

除了應用于廢氣的凈化、廢水的處理之外，粉煤灰基X沸石還能夠應用于其他的領域如作為微波吸收劑、儲氫材料、電池電解質以及應用于醫學。

粉煤灰基X沸石的獨特框架與多孔結構使得其具有良好的阻抗匹配，使得入射的電磁波盡可能多地進入材料，擴展了電磁波的傳播通道，并利用大量的孔道和腔對電磁波產生反射和散射，極大地消散電磁波能量。Shi等[47]認為X沸石具有介電性能好、重量輕、比表面積大等優點，是一種潛在的電磁波吸收材料。在厚度為2.5 mm時，合成的X沸石的有效吸收帶寬為2.08 GHz。

Lim[48]通過堿熔融水熱合成法合成粉煤灰基X沸石并將其用于染料敏化太陽能電池(DSSCs)的準固態電解質。最佳實驗參數下制得的X沸石的電池效率達6.0%，與傳統納米凝膠電解質相比，電池效率得到很大的提高。分析發現加入X沸石作準固態電解質后，電池的集光性能提高，界面電阻與電荷復合降低，太陽能電池的電子轉移性能得到很大提高。

粉煤灰基X沸石展現出了對癌細胞的良好的抑制能力與抗增殖作用。Subhapriya[49]研究發現X沸石能夠誘導早期細胞凋亡，并能夠降低細胞的活力，因此X沸石有希望成為預防和治療人類癌癥的抗癌劑用于替代或補充治療。

4 結論與展望

隨著我國燃煤發電的增多，固體廢棄物粉煤灰的排放量仍保持著逐年上升的趨勢，粉煤灰的堆放量居高不下。盡管粉煤灰已經較廣泛地應用于建筑材料以及道路鋪設領域，高附加值利用率仍然在一個很低的水平。以粉煤灰為原料合成沸石并進行資源利用為粉煤灰的高附加值應用提供了思路與方向，粉煤灰基X沸石因為其自身的優點與特性能夠作為吸附劑、催化劑以及離子交換劑在廢水處理、CO2處理、其他廢氣處理、儲氫、吸收電磁波以及醫學領域等方面進行利用，但仍存在一些問題需要深入的研究。

(1)不同地域工廠排放的粉煤灰在物質組成如硅鋁比、鈣含量、鐵含量等方面會有很大的差別，要根據不同地域粉煤灰的情況設定不同的預處理方法：鈣含量多的粉煤灰應進行必須的酸洗處理，鐵含量較多的粉煤灰則應進行必要的磁選以及酸浸處理。

(2)以粉煤灰為原料合成X沸石的方法有很多，各種方法有其優點以及缺點，但大部分方法所需要的工序較多，最基礎的一步水熱合成法合成的沸石的純度與結晶度又偏低，實驗室中最常用的堿熔融水熱合成法涉及到的變量又較多，過程較為復雜，因此需要在實際的工廠環境下探索適合應用于工業上以粉煤灰為原料量產不同種類沸石的方法，工序以及實驗過程中所涉及到的參數以達到最高的生產效率。

(3)根據實際的應用需要來考慮是否需要對合成的沸石進行其他方面的改進，一般而言在處理廢氣的環境下需要對沸石進行改性以增多其表面活性位點達到更好的效果。進行廢水處理應用的沸石應著重注意提高合成沸石的比表面積以及陽離子交換能力。

(4)粉煤灰基X沸石在實驗室條件下處理各種廢水、廢氣以及其他方面的應用已經取得了一定的成績，通過已有文獻能夠得到粉煤灰基沸石的使用效果與以化學試劑制得的商業沸石相比效果相當，但是粉煤灰的來源廣泛，價格低廉，能夠有效地降低生產成本并且收獲良好的環境效益。后續需要將粉煤灰基X沸石應用于實際的工業情況上去。處理廢氣廢水后的沸石應完善其后續處理工藝，進行沸石的再生或者尋找其下游用戶。

(5)探索更多粉煤灰基X沸石的應用，充分利用其結構、性能優勢。