碱水热处理粉煤灰及其吸附性能探究

屈 湃， 高 翔， 王 倩， 苗 洋， 王 正， 张美霞， 胡荣建

(1.太原理工大学材料科学与工程学院，山西 太原 030024；2.太原钢铁集团粉煤灰综合利用有限公司，山西 太原 030003；3.山西晋通企业资产管理有限公司，山西 太原 030024)

引 言

粉煤灰作为一种固体废弃物，不仅年产量巨大，而且大量的粉煤灰露天堆积还会引起扬尘[1]，造成环境污染，我国粉煤灰的资源化利用途径较少[2]，主要用作地基填料和水泥掺合料等低附加值领域。由于粉煤灰中氧化硅和氧化铝的含量较高[3]，能达到70%以上，且具有较大比表面积和较好的保水性能，将其用于水处理领域，是一种较为高效的利用途径[4]。Cr(Ⅵ)作为一种高度毒性的重金属污染物，是国际公认的3种致癌重金属物之一[5]，利用固体废弃物粉煤灰处理含Cr(Ⅵ)废水可以达到“以废治废”的目的[6]。

1 实验部分

1.1 材料和仪器

粉煤灰取自山西太原地区，其主要成分如表1所示。所用试剂氢氧化钠、盐酸、重铬酸钾等均为分析纯。采用UV-8000S紫外可见分光光度计来测试Cr(Ⅵ)浓度；用TD-3500型X射线衍射仪进行物相分析；采用蔡司Gemini300扫描电镜进行微观形貌分析；用BT-9300ST激光粒度分析仪测量其粒度。

表1 粉煤灰的化学组成

1.2 实验原理和步骤

Cr(Ⅵ)浓度按照《水质 六价铬的测定 二苯碳酰二肼分光光度法 GB 7467-87》测定。机理为Cr(Ⅵ)在酸性溶液中与二苯基碳酰二肼发生反应生成紫红色化合物。

实验步骤：将粉煤灰粉磨至38 μm(400目)以下后，置于1 mol/L的盐酸中进行6 h的浸泡除杂，主要去除其中的氧化铁杂质。配制浓度分别为2、4、6、8 mol/L的氢氧化钠溶液，再将粉煤灰和氢氧化钠溶液按照1：4的固液比混合后在120 ℃下进行24 h的水热处理，将碱处理后的粉煤灰用于对Cr离子的吸附实验。

2 结果与讨论

2.1 不同浓度碱水热反应对粉煤灰物相变化的影响

从第2页图1中可以看出，在2 mol/L碱水热反应后粉煤灰中的主要物相仍为莫来石、石英及无沸石生成。主要是由于碱浓度过低，Na2O与SiO2比未达到沸石的生成条件，在4 mol/L碱水热反应后的粉煤灰中可以观察到有八面沸石的生成，在6 mol和8 mol碱水热反应后有方沸石的出现，且8 mol的衍射峰更为尖锐。说明碱浓度对于水热法合成沸石有着很大的影响。

图1 不同浓度碱水热反应后粉煤灰的XRD图

2.2 不同浓度碱水热反应对粉煤灰微观形貌的影响

图2a)可以看出，在氢氧化钠的作用下，粉煤灰颗粒中的活性SiO2和Al2O3溶出，剩下较为稳定的莫来石晶体，粉煤灰颗粒变得粗糙多孔，比表面积增加，可以提供更多的吸附位点；图2b)可以看到，粉煤灰颗粒表面有沸石晶体生成，硅铝酸盐溶出后在水热反应下结晶生成八面沸石，之后沉积在粉煤灰颗粒表面；在图2c)中观察到在粉煤灰颗粒表面存在许多方形颗粒，其为生成的方沸石沉积在粉煤灰颗粒表面；图2d)中可观察到，随着浓度增加有大量的方沸石沉积导致粉煤灰颗粒被包裹。

图2 不同浓度碱水热反应后粉煤灰的SEM图

2.3 不同浓度碱水热反应对粉煤灰粒度的影响

图3为不同浓度碱液处理后粉煤灰的粒度分布变化。由图3可知，随着碱液浓度的增加其粒度分布变窄，高浓度碱液处理过的粉煤灰的粒径变大，大颗粒变多。可能是由于水热反应下生成的沸石沉积在粉煤灰颗粒表面，导致随着浓度增加粉煤灰颗粒的粒径逐渐变大。

图3 不同浓度碱水热反应后粉煤灰的粒度分布曲线

2.4 不同碱液浓度对粉煤灰吸附性能的影响

将不同浓度下碱水热反应处理的粉煤灰用于对Cr(Ⅵ)的吸附，取1 g粉煤灰置于100 mL质量浓度为10 mg/L的Cr(Ⅵ)溶液进行3 h的吸附实验，探究不同浓度碱液处理后的粉煤灰对Cr(Ⅵ)吸附性能的影响。

图4中样品编号1、2、3、4、5分别对应未处理粉煤灰和2、4、6、8 mol/L NaOH处理后粉煤灰对Cr(Ⅵ)的去除率，分析可得，碱处理对粉煤灰的吸附性能有显著提升，主要是由于碱处理使得粉煤灰表面变得多孔，比表面积变大，可以提供更多的吸附位点，在4 mol/L NaOH溶液处理后粉煤灰中有沸石生成，沸石的离子交换特性和良好的吸附性能是导致Cr(Ⅵ)的去除率明显上升的主要原因，而随着碱性浓度的增加，在6 mol/L NaOH和8 mol/L NaOH溶液处理后粉煤灰的吸附性能下降是由于过量的沸石生成占据了粉煤灰的表面导致比表面积变小，粉煤灰可提供的吸附位点变少。

图4 不同浓度碱水热反应后粉煤灰对Cr(Ⅵ)的去除率

3 结论

碱处理使得粉煤灰表面变得更加多孔，4 mol/L NaOH和粉煤灰按固液比为1∶2混合后在120 ℃水热条件下反应24 h后，粉煤灰颗粒上会有沸石沉积。当Cr(Ⅵ)初始质量浓度为10 mg/L，粉煤灰投加量为0.1 g/L对Cr(Ⅵ)的去除率可达到62%。