粉煤灰表面设计改性及功能化研究进展

高美玲，谭鹏程，金石，万祥龙

（安徽理工大学材料科学与工程学院资源循环系，安徽淮南232001）

粉煤灰作为一种成分复杂的大宗固体废弃物，其综合利用一直是重要的研究内容。目前粉煤灰多被作为一种填充材料用于混凝土材料中[1]，还有一些提取其中的有效化学成分研究，如粉煤灰精细化制备氧化铝和白炭黑[2]，或利用其成分制备地聚物[3]、分子筛[4]和微晶玻璃[5]等，利用其含有的硅铝酸盐与其他材料制备功能陶粒或无机陶瓷材料等[6]。粉煤灰的多孔吸附性可以被用来吸附废水中的有机物[7]和重金属[8]等。总之，粉煤灰是一种价格较便宜、应用较为广泛的固体废弃物，但在一些低附加值的应用中，贮运环节会占据较大成本，影响了其作为材料应用的发展。而对粉煤灰颗粒进行表面改性，再负载一些功能助剂，可得到一种新型的功能材料。该方法可以大大提高粉煤灰利用时的附加值，能极大调动企业对粉煤灰深度利用的积极性，促进粉煤灰的深度资源化。

1 粉煤灰改性的研究现状

通过对粉煤进行改性的方法，可以得到更大比表面积的产品，能够更好地发挥吸附性能。利用物理改性方法，如机械研磨[9]、微波处理[10]、超声波[11]和高温处理[12]等，可以破坏粉煤灰玻璃体网络结构，增大比表面积，还可以通过镀膜[13]的方法改变粉煤灰颗粒的电磁性能；利用化学改性的方法，如火法改性[14]、水热改性[15]、酸改性[16]、碱改性[17]、矿物盐改性[18]、氧化钙[19]处理等，也可以破坏硅酸盐网络结构，促进玻璃体表面溶解，提高比表面积和离子交换能力等。

化学改性的方法还包括使用表面活性剂的改性，如阳离子表面活性剂[20，21]处理、偶联剂处理[22]和硬脂酸[23]处理等，阳离子表面活性剂可以改变粉煤灰颗粒表面电性，提高其表面的吸附能力，主要用于各类废水处理过程中；硬脂酸可以达到疏水改性的目的，使得粉煤灰在聚合物（如PVC，PP）中作为填充料[24]；偶联剂改性处理方法可以提高无机颜料的分散性和玻璃、金属表面粘接力等，这些方法在处理粉煤灰时均具有不错的效果，已经在各类应用中表现出良好的效果。

2 粉煤灰颗粒表面设计改性方法与研究

对粉煤灰颗粒的表面设计改性方法很多，一般都是通过界面上的基团设计，然后负载相应的功能团得到粉煤灰基功能材料。

2.1 粉煤灰基疏水薄膜材料

疏水性薄膜有很多应用的场合，如建筑外墙、包装材料、防霉的场所等。如对煤粉灰的表面进行阳离子分散松香胶疏水改性，制备具有疏水性的纤维材料[25]。采用硬脂酸对粉煤灰进行改性，再利用有机/无机复合材料中的颜体体积浓度与临界颜料体积浓度之间的关系，调整薄膜疏水性能[26]。总之，利用粉煤灰制备的疏水薄膜材料成本低廉，可以用于包装材料和防霉要求较高的场合，具有较好的实用性。

2.2 粉煤灰基复合调湿材料

粉煤灰基调湿材料是对粉煤灰进行亲水性改性后，复配亲水性聚合物和盐可得到复合调湿材料[27]，可以制备成粉末，也可以制备成涂料，广泛应用于不同的场合，具有无源、智能调湿、成本低廉和节能环保的优点[28]。粉煤灰与PVA复合膜进行不同湿度下的吸湿性测试情况，其相同体积的薄膜调湿与水分子在其内部的溶胀扩散相关，在不同的湿度下表现出具有较大的吸湿量，表现出良好的调湿能力。此复合调湿材料若用于内墙涂料中，能自动调节室内空气中的湿度，表现出优异的吸放湿功能[29]。而且此过程无需电源控制，节能环保，可根据所处的环境进行智能调湿。此类调湿材料成本较低，适合应用于家庭居室、图书馆等需要进行湿度控制的场合[30]。

2.3 甲醛捕捉材料

室内或车内甲醛问题是影响到人们健康的大问题，当前的处理甲醛方法很多，但大多数处理方法存在着各种各样的局限性，达不到国家的限量标准（最高限量0.08 mg/m3）。如活性炭吸附甲醛极易吸附饱和，在一定条件下还会发生解吸附；植物消除甲醛效率低下；甲醛捕捉剂的喷洒只能应用于短期，且容易造成居室环境的污染；光催化材料要求环境中有特殊的光激活才能持续作用；氧化型消除甲醛所用的负离子材料易有辐射污染，等等。

采用对粉煤灰[31]进行改性后负载甲醛捕捉剂，相当于结合了物理吸附与化学中和的两种效应。一方面物理吸附过来的甲醛与捕捉剂反应，不存在解吸附的问题，彻底地消除了甲醛；另一方面甲醛捕捉剂在粉煤灰上的负载，避免了对居室环境的污染，能24 h持续地消除甲醛，使用方便，能够更彻底消除甲醛[32]。

利用甲醛捕捉剂在粉煤灰表面的负载，可以得到性能极佳的环境净化材料，具有非常高的附加值。在具有良好经济效益的同时，也具有非常好的社会效益。

3 改性粉煤灰应用展望

以上应用是粉煤灰通过表面改性功能化的一部分例子，这类改性方法具有非常强的针对性，容易进行表面设计，把固废粉煤灰变成了一种功能材料。总之，只有合理、充分、深度利用粉煤灰，才能真正地让粉煤灰不再是一种固体废弃物，而成为一种价格低廉、性能优异的工业原料。

[1]刘佳莹，唐周鸣.大掺量粉煤灰混凝土力学性能研究[J].四川建筑，2016，36(2)：287-290.

[2] 蒲维，梁杰，雷泽明，等.粉煤灰提取氧化铝现状及工艺研究进展[J].无机盐工业，2016，48(2)：9-12.

[3] Feng Junjie，Zhang Ruifang，Gong Lunlun，et al.Develop ment of porous fly ash-based geopolymer with low thermal conductivity[J].Materials&Design，2015，65(3)：529-533.

[4] 陈彦广，徐婷婷，韩洪晶，等.粉煤灰微波-水热合成法制备分子筛的研究进展[J].化工进展，2015，34(8)：2 916-2 924.

[5] 游世海，郑化安，付东升，等.粉煤灰制备微晶玻璃研究进展[J].硅酸盐通报，2014，33(11)：2 902-2 907.

[6] Mi Haihui，Yang Jinlong，Su Zhenguo，et al.Preparation of ultra-light ceramic foams from waste glass and fly ash[J]. Advances in Applied Ceramics，2017，116(7)：1-9.

[7]朱振华，李小敏，崔东，等.改性粉煤灰对废水中酸性大红2R的吸附[J].工业安全与环保，2016，42(2)：16-18.

[8] 谭燕宏.粉煤灰吸附材料处理含重金属废水初步探讨[J].环境与可持续发展，2012，37(6)：88-90.

[9]王晓钧，施书哲.粉煤灰机械研磨后热学性质变化的研究[J].材料科学与工程学报，2001，19(2)：61-65.

[10] 李北罡，贾丽.粉煤灰微波改性及其对Cr6+的吸附特性[J].环境工程学报，2012，6(9):3275-3279.

[11] 孟宏睿，陈丽红，张科强.超声细化粉煤灰性能试验研究[J].工业建筑，2004，34(3)：52-53.

[12]赵海晋，余其俊，韦江雄，等.利用粉煤灰高温重构及稳定钢渣品质的研究[J].硅酸盐通报，2010，29(3)：572-576.

[13]陈松涛，李松田，吴春笃，等.粉煤灰空心微珠表面改性的研究进展[J].表面技术，2007，36(4)：69-71.

[14] 温秀芹.火法改性粉煤灰对含磷废水吸附性能的研究[J].广东化工，2015，42(3)：59-60.

[15] 王英刚，孙丽娜，张富韬.水热法改性粉煤灰去除矿山酸性废水中金属离子[J].生态学杂志，2009，28(8)：1 584-1 588.

[16]石建稳，陈少华，王淑梅，等.粉煤灰改性及其在水处理中的应用进展[J].化工进展，2008，27(3)：326-334.

[17]王景芸.碱改性粉煤灰对印染废水的脱色处理研究[J].粉煤灰综合利用，2011(1)：33-35.

[18] 张新，谭雪霏，金志杰.石粉-粉煤灰复掺改性混凝土的研究[J].硅酸盐通报，2012，31(3)：641-644.

[19] 梁彦秋，孙小寒，马俊.氧化钙改性粉煤灰对酸性橙的吸附脱色性能试验研究[J].安全与环境工程，2011，18(4):70-73.

[20] 牟淑杰.粉煤灰负载阳离子吸附处理印染废水的试验研究[J].矿产综合利用，2010(3):26-29.

[21] 孙志勇，王爱民，白妮.改性粉煤灰复配阳离子聚丙烯酰胺处理焦化废水的研究[J].硅酸盐通报，2015(12):3 606-3 609.

[22]王丽洁，刁建志，李龙，等.硅烷偶联剂KH-560对粉煤灰的表面改性研究[J].化工新型材料，2015(11):176-178.

[23]谢卫苹，罗康碧，李沪萍，等.高填充型粉煤灰/PVC复合材料的制备[J].中国有色冶金，2014，43(1)：67-71.

[24] Wong W Y，Truss R W.Effect of flyash content and coupling agent on the mechanical properties of flyash-filled polypropylene[J].Composites Science&Technology，1994，52(3)：361-368.

[25]汪运涛，李彬.阳离子分散松香胶对粉煤灰纤维疏水改性的初步研究[J].纸和造纸，2010，28(11):36-39.

[26] 万祥龙，张海军，叶漫，等.粉煤灰改性及其疏水薄膜研究[J].化工新型材料，2013，41(11):171-173.

[27] 万祥龙，张海军，刘靖宇，等.粉煤灰/聚乙烯醇复合调湿材料制备及其薄膜吸湿性能 [J].化工新型材料，2014，42(12):60-62.

[28] Ogata Fumihiko，Tominaga Hisato，Iwata Yuka，et al. Evaluation of Moisture Adsorbent Produced from Fly Ash and Its Adsorption Ability of Moisture[J].Kagaku Kogaku Ronbunshu，2013，39(3):231-237.

[29]万祥龙，王叶，宋风宁，等.改性粉煤灰内墙调湿涂料的制备及其性能[J].涂料工业，2015，45(7)：58-62.

[30]杨永，吴志强.硅藻土基无机调湿材料的制备及其调湿性能研究[J].新型建筑材料，2016，43(11)：108-111.

[31]许颖，金东日，王清珊.改性粉煤灰对甲醛和氨吸附量的研究[J].延边大学学报:自然科学版，2008，34(2)：128-130.

[32]王叶，万祥龙，都方志，等.甲醛捕捉剂改性粉煤灰内墙涂料的制备和性能研究[J].涂料工业，2016，46(2)：1-5.