废水处理中酸改性粉煤灰的应用研究

摘要：粉煤灰具有比表面积大、多孔性蜂窝状组织形貌、活性氧化物成分等独特的理化性能，通过简单改性即可大幅提升其吸附性能，因此在废水处理方面具有很大的应用价值。文章概述了粉煤灰的理化性能，酸改性粉煤灰吸附机理，以及酸改性粉煤灰在废水处理中的应用，并提出了需进一步研究的课题。

关键词：粉煤灰；酸改性；废水；吸附

我国是产煤和用煤大国，每年的排灰量巨大，约6亿吨，不仅污染环境，也造成了潜在资源的浪费。我国粉煤灰主要用于建材、筑路回填等领域，附加值低，近年来，以粉煤灰为原料开发高附加值产品越来越受到重视。粉煤灰具有独特的物理和化学特性，物理性质方面，含有细微炭粒，呈多孔性蜂窝状组织形貌，化学性质方面，含有氧化硅、氧化铝、氧化钙等活性成分，具有一定吸附活性，因此粉煤灰应用于废水处理有其独特的优势。然而粉煤灰直接用于处理废水其吸附效果不佳[1]，因此需要进行改性，主要方法有酸改性、碱改性、热改性等，本文就酸改性粉煤灰在废水处理中的应用研究进展作简要综述。

1粉煤灰分类

粉煤灰按照燃煤电厂锅炉类型不同，可分为煤粉炉粉煤灰和循环流化床粉煤灰。由于两种锅炉的燃烧温度分别约为1300℃和900℃，因此产生的粉煤灰的物理性能差异较大，表1为两种粉煤灰安息角、真密度、比表面积等物理性质数据。由表可见，循环流化床灰较煤粉炉灰比表面积大、活性成分多，因此具有更佳的酸溶活性。

2酸改性粉煤灰的吸附机理

粉煤灰的酸改性是酸与粉煤灰中的活性成分反应，多数改性研究选用盐酸、硫酸或两者混酸，也有选用HNO3、HBr、HAc为改性剂。

2.1盐酸改性

粉煤灰主要含有铝、硅、铁、钙等元素，盐酸能够与粉煤灰中除硅以外大部分氧化物反应，浸出后溶液中离子以氯化物盐为主，反应方程式可以写作下式，盐酸改性会导致钙含量下降。

2.2硫酸改性

硫酸改性时，硫酸能够与粉煤灰中除硅以外大部分氧化物反应，浸出后溶液中离子以硫酸盐为主，反应方程式可以写作下式，硫酸改性粉煤灰中参与反应的钙形成CaSO4•2H2O，硫酸改性可以有效固定钙离子，有助于效脱含磷废水中的磷。

2.3酸改性对粉煤灰吸附性的影响

酸改性将粉煤灰中的铝、铁、钙等成分浸出，使粉煤灰中产生空缺的位置，改变粉煤灰中Al-O-Al以及Si-O-Si键的间距，增大晶面间距[3]；酸进入到粉煤灰表面的孔隙中，溶解堵塞孔隙的杂质。改性后颗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积[5]和孔隙率，有利于发生物理吸附；酸改性后的粉煤灰zeta电位由负电变为正电，在pH值1~10范围内与带负电的污染物离子发生静电吸附作用[6]；酸改性过程中形成AlCl3、Al2(SO4)3、H2SiO3等盐，易形成络合物，在吸附过程中起到絮凝沉淀作用[7]。

3酸改性粉煤灰在废水处理中的应用

3.1生活废水

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机物污染、原物污染、富营养化污染。金星等[8]以硫酸和盐酸的混酸为改性剂，改性粉煤灰处理COD浓度314.74mg/L的废水，用灰量为100g/L（溶液），时，废水COD的吸附率75.4%，粉煤灰改性后其吸附能力提高约3倍。李嘉伟[9]用2mol/L硫酸改粉煤灰，处理COD浓度350mg/L~400mg/L的污水，用灰量为150g/L时，废水COD去除率达84%。

3.2含铅、铬（VI）等重金属废水

重金属污染是指化工、冶金、机械制造等工业生产中排放的污水中含有铅、铬（VI）、铜、镉、锰等重金属元素，是对人类危害最大的工业废水之一。刘鹏等[10]采用2.5mol/L硫酸改性的粉煤灰，灰投加量3g/L（溶液），废水的初始铅浓度100mg/L、pH值为8，废水中铅的去除率为86.3%。强等[11]采用3mol/L盐酸改性的粉煤灰，灰投加量6g/L（溶液），废水的初始铬（VI）浓度10mg/L、pH值为2~4，废水中铬的去除率为96.5%。认为弱酸性环境更有利于吸附，溶液pH值过大时OH-与铬（Ⅵ）产生竞争吸附。

3.3含磷废水

含磷废水主要来源于生活废水、工业废水以及畜牧业和农田排水。水中磷超标后，会引起水体富营养化。曾春慧等[12]采用2mol/L硫酸改性的粉煤灰/炉渣，灰投加量2g/L（溶液），模拟含磷废水的初始磷浓度10mg/L、pH值为8，废水中磷的去除率为93%。余荣台等[4]采用盐酸和硫酸的混酸对粉煤灰进行改性，改性灰投加量15g/L（溶液），模拟含磷废水的初始磷浓度30mg/L、pH值为7，废水中磷的去除率为96%。

3.4含有机染料废水

工业染料废水来源于制造染料、颜料的生产过程。我国染料产量约占世界总产量的70%，而每生产1吨染料约产生废水30m3~100m3，该类型废水种类繁多，性质各异，共同特点是难生物降解、色度深、对人的健康有害。贾艳萍等[5]采用混酸（VHCl/=1:1）对粉煤灰进行改性，改性灰投加量15g/L（溶液），模拟染料废水的pH值为6~8，废水中COD去除率为64%、脱色率为84%。王占华等[13]采用2mol/L盐酸对粉煤灰进行改性，改性灰投加量20g/L（溶液），大红染料废水的初始浓度30mg/L、pH值为2，废水中大红染料脱色率为97.72%。

3.5含抗生素废水

磺胺抗生素是一类人工合成的抗菌药，广泛应用于医药和水产养殖等行业，在其生产、使用过程中产生含抗生素废水，目前磺胺抗生素在自然环境中不断被检出，对生态环境造成威胁。凌琪等[14]采用盐酸和硫酸的混酸对粉煤灰进行改性，改性灰投加量160g/L（溶液），初始磺胺二甲基嘧啶浓度10mg/L、pH值为6，废水中磺胺二甲基嘧啶的去除率为89.85%，可以一定程度解决水中抗生素的污染。

4展望

粉煤灰作为一种多孔材料可以吸附废水中的污染物，通过简单的酸改性即可使其处理废水的能力明显提升，同时酸改性粉煤灰应用于废水处理领域也取得了很大的进展，呈现出吸附性能好、节约资源、成本低的优势。但改性粉煤灰在废水处理中的应用还存在一些课题需要深入研究。（1）煤粉炉粉煤灰与循环流化床粉煤灰有很大的酸溶活性差异，因此两种改性粉煤灰的吸附性能也会有差异，需要开展对比研究。（2）粉煤灰改性过程中，部分可溶性氧化物与酸反应进入到浸出液中，包括铝、钙等常量元素以及多种重金属元素。如何处理酸改性粉煤灰产生的浸出液逐渐成为新的问题。（3）改性粉煤灰使用后，吸附了废液中的有害物质，若使用过的粉煤灰处理不当，会再次产生污染。如何高效再生以及无害化回收改性粉煤灰，需要进一步研究。（4）高铝粉煤灰酸法提取铝及有价金属元素成为研究热点，然而如何处理提取铝后残渣成为产业化难点之一。粉煤灰提取铝后的残渣具有比表面积大、活性高的特点，是潜在的处理废水的吸附材料，需要开展相关理论和应用研究。

参考文献：

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[14]凌琪，陶森森，伍昌年，陈嘉雄.酸改性粉煤灰处理磺胺二甲基嘧啶实验研究[J].应用化工，2020:1-8.

作者：王宏宾 杜艳霞 单位：神华准能资源综合开发有限公司