粉煤灰作为固废的有效利用途径

钢迪嘎

（锡林郭勒职业学院褐煤粉煤灰工程技术研究院，内蒙古 锡林浩特 026000）

从全球能源消耗来看，煤炭消费一直高于其他能源，如石油、天然气、水电、风能以及核能等，世界能源需求的将近30 %由火力发电厂供应。中国是世界上最大的煤炭消耗国家，其2012年消耗量占全球煤炭消耗的50.2%，中国工业增长的将近70 %靠煤炭资源。但是，燃煤会带来大量粉煤灰，全球每年产生7.5亿t左右粉煤灰，因其较为复杂的化学成分和大量的排放，对人类生活和生态环境都造成一定的危害，污染土壤、水资源以及大气等环境。

粉煤灰因煤质、燃煤方式、收集方式等的不同，其化学成分较为复杂，物理化学特性也有所不同。从物理性质看，粒径普遍小于20 μm、容重在0.54～0.86 g/cm3、比表面积在300～500 m2/kg，具有轻薄质地性质。粉煤灰主要含有的化学元素为Si、Al、Fe、Ca等，也含有一定量的As、Pb、Ni、Cr、Cd等重金属元素。在不同粉煤灰中，大概含有316个矿物个体和超过188个矿物组合，这些矿物组成不仅有矿物晶体，也有非晶态玻璃，主要为莫来石、石英、磁铁矿、赤铁矿、方解石等，主要金属氧化物为SiO2、Al2O3、Fe2O3等[1]。粉煤灰的物理、化学和矿物特性对其资源化利用带来了诸多可能性，增大了资源化利用潜力。

资源化利用粉煤灰不仅是处置固废的一种很好选择，也是获得友好型环境的有效途径。国内外对粉煤灰的资源化利用主要有以下途径：土壤调理剂、建筑工程、陶瓷、制备催化剂、沸石制备以及有价值金属元素提取等。

1 土壤调理剂

粉煤灰具有粉沙颗粒物、松散多空、低容重、含有一些植物所需元素等物理化学特性，因此具备作为土壤改良剂的可能性，其可以改善土壤结构，增加透气透水性，缩小膨胀。

土壤pH在6.5～7有利于植物的生长，因此可通过粉煤灰释放的Ca2+、Na+和OH-等离子改善土壤pH，达到改良土壤的效果。用两种酸性（pH值分别为3.28、3.96）和碱性（pH值分别为9.04、10.77）粉煤灰分别处理酸性砂质黏土和黏壤土，将碱性F型粉煤灰添加至36和108 t/hm2后，结果发现，将上述土壤pH分别调高至2、2.3后，酸性粉煤灰没有明显的pH调理效果[2]。粉煤灰中含有利于农作物和其他植物生长的P、K、Na、Ca等营养元素。将碱性粉煤灰用作土壤调理剂处理壤质沙土后，碱性粉煤灰不仅提高了原土壤的pH值，还提高了植物可吸收的K、P等元素含量，同时没有使原土壤的重金属含量超出可控范围[3]。

2 建筑工程

国内外粉煤灰利用中，很大一部分用作建筑材料，如水泥、混凝土及其他墙体制品等。虽然资源化利用附加值较低，但是粉煤灰用量大、成本较低，因此它一直是粉煤灰综合利用的重要途径。

由于粉煤灰中CaO含量较高，其具有很好的黏结性和火山灰特性。例如，C型粉煤灰（CaO含量＞15%）具有黏结性和火山灰活性，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，人们可以把它作为水泥替代品，掺入混凝土和其他建筑工程中。粉煤灰中大多数颗粒物为表面光滑紧密的球形玻璃体，掺入混凝土后可改善混凝土和易性，减少用水量，提高混凝土的强度。其中，微细颗粒填充在孔隙和毛细孔中，具有增加密实度、降低水化热反应、抑制混凝土碱骨料反应的作用[4]。人们可以将富含钙的水泥窑粉尘和硅含量较高的粉煤灰分别以20 %和10 %的比例混合制成具有火山灰特性的建筑黏结剂，用于可拆卸建筑中。在混凝土骨料、砖头、沥青混凝土路面中应用上述黏结剂，具有很好的经济效益和环保效益，人们通过无侧限抗压强度试验和三轴重复荷载试验发现，这种黏结剂能达到理想的强度和耐久性[5]。粉煤灰基建筑材料可降低水耗量、提升建筑材料强度和降低温室气体的排放，与此同时可降低生产和施工成本。

3 陶瓷行业

粉煤灰含有SiO2、Al2O3、Fe2O3等金属氧化物。这些氧化物使粉煤灰成为制作陶瓷的可选材料。基于Li2O-Al2O3-SiO2三元体系的玻璃陶瓷材料因其低热膨胀系数具有很好的工业应用前景，但是这种三元材料制备成本较高。因此，研究人员以粉煤灰制备出结构为Li2Al2Si3O10的三元体系材料，其热膨胀系数小于市场销售的锂玻璃陶瓷18 %，而且有很好的晶体结构和细小晶粒[6]。研究人员将粉煤灰（60%～64%）、铝（10 %）、碳酸锰（22%～26%）混合物与甲基纤维素混合研磨，压成盘状样，在900～1 300℃温度下烧结4 h制备出α-堇青石陶瓷，这种陶瓷具有低热膨胀系数、低介电和高耐火等性质，可用作净化尾气材料或催化剂载体、难熔金属涂层等[7]。

4 制备催化剂

金属和金属氧化物经常用作工业催化剂，而粉煤灰含热稳定性较好的多种金属氧化物，可制备用作气相、液相和固相反应的有效催化剂。用粉煤灰制备三种非均相芬顿类催化剂（粉末状、颗粒状和Fe2O3/粒状），结果表明酸性处理粉煤灰催化剂初始催化性优于碱性处理和热处理，三种粉煤灰催化剂可使水中COD（化学需氧量）去除有很好的效果，去除率可达到57%。在草酸盐预调节pH值的前驱体溶液Fe（NO3）3浸12 h可制备出较好的Fe2O3/粒状粉煤灰催化剂，Fe2O3/粒状比另两种粉煤灰催化剂催化性能较高[8]。研究人员以粉煤灰作为载体，用等体积浸渍法负载NiO、CuO、Fe2O3等不同的活性组分，制备出不同单组分和双组分的催化剂，NiO/粉煤灰催化性能最佳，NiO/粉煤灰催化剂投加到臭氧氧化处理亚甲基蓝模拟废水体系中，处理效果有显著的提高，去除率能提高到99.12%[9]。

5 制备沸石

沸石为硅铝酸盐晶体，有均一微孔结构和三维空旷骨架结构，可用于工程和农业中，包括水处理、废气净化、土壤调理等领域。粉煤灰与沸石相似的结构和火山灰特性，使粉煤灰成为人造沸石原材料，有很好的环境保护效应。在碱激发剂条件下，水热结晶的过程可制备出沸石，在NaOH、KOH、Na2CO3、NaOH/KOH、Na2CO3/KOH等碱激发剂存在的条件下，以水热法研究制备沸石的机理后发现，整个沸石合成速率取决于碱性环境中的Na+浓度，而Na+和K+共同存在的碱性环境中沸石结晶程度随着K+浓度升高而下降，整个沸石合成过程可分为溶解、凝胶和结晶，三者同时进行，没有先后之分[10]。通过NaOH作为碱性介质的水热反应，人们可以合成NaP1沸石，其纯度较高，主要矿物成分为NaP1沸石，其阳离子交换容量（CEC）达213 cmol/kg，比表面积达29 m2/g，分别是原粉煤灰的100倍和26倍，具有很好的吸附材料应用前景[11]。

6 金属元素提取

粉煤灰中含有锗、镓、钒、钛和铝等可用于电信、光通信、航空航天等行业的有价值金属元素。

对于粉煤灰中的锗元素，人们可用单宁共沉淀法、GeCl4蒸馏法、活性炭吸附法、树脂交换法等方法将其从粉煤灰中分离出来[1]。研究人员用离子交换法从粉煤灰中提取锗元素，锗与邻苯二酚络合，最终络合产物保留在强碱性阳离子树脂中，最大的保留量为215.5 mg/g，最后用50%乙醇HCl溶液完成锗络合物的洗脱[12]。

对于粉煤灰中的镓元素，人们可以运用盐酸酸浸和溶解在煤油中的离子交换树脂双溶剂（Amberlite LA-2和LIX 54）萃取方法将其从粉煤灰中提取出来。酸浸出液首先用LA-2提取镓和铁，然后用氢氧化钠沉淀铁，而镓溶解在酸浸出液中，最后用LIX 54从溶液中选择性提取镓，在酸浸出溶液含有83%含量的镓[12]。

铝元素在粉煤灰中的相对含量较高，从粉煤灰中提取铝元素的方法大致可分为：煅烧方法、酸浸出和HiChlor法。研究人员将粉煤灰和碳酸钙按一定比例混合，用微波进行辐照热火化，结果表明，经800℃加热60 s后，粉煤灰中氧化铝提取率可达95%，这种方法具有快速低能耗活化优势，氧化铝提取率也较高。粉煤灰和碳酸钠在900℃下煅烧后产生可溶性铝酸盐，硫酸浸出烧结产物以生成含有铝元素的溶液，其萃取效率高达98%[13-14]。虽然有很多种方法可以从粉煤灰中提取铝，并且提取效率也较高，但是这些方法都存在缺点，使得大部分停留在实验室。比如，酸浸出方法可以使粉煤灰中的铝元素溶解在酸溶液中从而方便铝的提取，但是这种方法需要耐酸处理设备且浸出液的成分较复杂、处理比较难。煅烧方法回收1 t氧化铝时，产生大约7～10 t硅酸钙残渣，这些残渣除了用于制造水泥外，没有别的有效利用方法。

7 结论

近年来，我国日益重视可持续发展，人们的环保意识越来越强，对粉煤灰综合再利用是迫切需要的。粉煤灰综合利用途径有很多，现在仍以附加值较低的建筑工程为主，而金属元素提取等高附加值利用还主要停留在实验研究阶段，工程应用很少。因此，人们应当加大技术研究力度和工程应用投入，提高粉煤灰综合利用的附加值。

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