利用粉煤灰制备分子筛吸附VOCs的进展

向金 霍诗凡

（西京学院土木工程学院，陕西西安 710123）

0 引言

挥发性有机化合物VOCs 作为污染空气环境的重要因素，已经成为当下改善环境质量的重点治理对象。VOCs 是指常温常压下具有易挥发性、高饱和蒸气压的一类有机物质的总称，主要包括醇酮类（丙酮、异丙醇、乙酸乙酯、甲醇）、芳香烃（甲苯、二甲苯、乙苯）和烷类（乙烷、丙烷）等典型有机物，它同臭氧、一氧化碳、二氧化硫和可吸入颗粒物并列为我国五大大气污染组分。

我国VOCs 治理工作相对落后。本文参考国内外相关文献，主要针对利用粉煤灰制备分子筛在吸附VOCs 中的应用展开叙述，特别是粉煤灰改性、制备分子筛的方法、分子筛的吸附等内容进行综述，并提出了目前该领域面临的一些问题及未来发展方向。

1 挥发性有机化合物概述

VOCs 的来源较为广泛，大自然和人类各类生产和生活活动均会产生VOCs，自然界VOCs 的释放主要来自植物体，而石化、煤化工、涂料、油漆、橡胶、药品以及各种化工生产过程是人类生产和生活活动中涉及排放挥发性有机废气污染物的主要行业。经过多年的研究发现，有些VOCs 是无毒无害的，但是大部分VOCs 是带有毒性的，黎焕珍[1]曾指出挥发性有机化合物（VOCs）会对人体和环境带来很大的不利影响，VOCs 中包括一定量的乙烯、丙烯等化合物，当浓度达到一定量时，还容易发生火灾隐患。

2 粉煤灰概述

煤炭经燃烧或转化后会产生一种固废物质，这种固废物质被称为粉煤灰，它的化学成分由煤炭所拥有的品质决定，煤源的不同造成了粉煤灰化学成分的差异显著，而二氧化硅、氧化铝、氧化铁是粉煤灰的主要成分，其中SiO2和Al2O3占总含量的60%以上，此外，粉煤灰中还含有少量的有害元素，如As、Mn、V、Pb 等。粉煤灰一般是灰白色的粉状颗粒，大多是碱性的，主要呈球形，具有火山灰性质，在室温下可与水和氢氧化钙形成胶凝产品，也是一种外加剂。粉煤灰的化学性质较为复杂，在很大程度上受所烧煤的性质以及使用的处理技术的影响，其物理化学特性也有所不同，主要因煤质、燃煤方式、收集方式等有所差异，粉煤灰还具有化学活性，其化学组分及含量、颗粒细度、燃烧温度、收集放松等因素会影响粉煤灰的活性。目前，我国粉煤灰的利用率远远低于日本、欧盟等国家，仅有60%左右。

3 分子筛概述

人类最早于十八世纪五十年代发现了天然沸石，是一种天然的硅铝酸盐材料，经过人工在一定的条件下合成的则称为分子筛，有时也被称作沸石分子筛。天然沸石是在特定的条件下形成的，主要是由火山中存在的几类岩石演变而来，具有丰富的孔道结构、大比表面积以及晶体的结构和特征等特性。分子筛的化学组成通式可表示为M2/nO·Al2O3·xSiO2·yH2O，其骨架的最基本结构是SiO4和AlO4四面体，通过共有的氧原子相结合而形成三维网状结构的结晶，构成了大小可进行调控的空洞和孔道，正是这种独特的结构使分子筛具有选择吸附性的功能。分子筛孔道内的孔径大小接近于分子尺寸，大致可分为微孔分子筛、介孔分子筛和大孔分子筛三类。

4 粉煤灰制备分子筛吸附VOCs

4.1 粉煤灰改性

由于粉煤灰本身吸附容量不高，对其改性使其适用于不同的用途，经过多年的研究，在粉煤灰的改性和处理方面已经有了很多成熟的方法，但是几乎所有的改性方法都是基于增大粉煤灰的比表面积和增加粉煤灰的孔隙率來进行的。

改性方法的不同最终也会导致粉煤灰有不同的改性效果和应用领域。目前常用的改性方法大致分为两类，即物理改性法和化学改性法。其中物理改性法包括机械磨细改性、高温热改性、微波改性、金属化表面改性以及超声波改性；化学改性法包括火法改性、水热法改性、酸改性、碱改性、盐改性、氧化钙改性、偶联剂改性、阳离子改性等[2]。

4.2 粉煤灰合成分子筛的方法

在合成分子筛的研究过程中，最早出现且技术最完善的方法是水热合成法。自从Holler 开始着手研究用水热合成法合成分子筛以来，许多专利和论文相继提出了不同的水热活化方法。王春峰等[3]运用碱熔融法成功合成了NaX 与NaA 型的沸石，并将合成的沸石与商品沸石作对比，发现NaX 和NaA 型的沸石有很大的潜在应用价值，并且大量的使用不会对环境造成污染。随着粉煤灰源分子筛技术的不断发展，更多粉煤灰合成分子筛的方法将不断涌现，越来越多的新技术、新方法将应用到水处理、废气治理、精细化工等多个工业领域。

4.3 分子筛吸附VOCs

近年来，已有研究者在利用分子筛制备低成本、高成效的VOCs 吸附材料方面开展了相关研究，Zhao等[4]比较了MCM-41、活性炭和沸石分子筛对VOCs吸附性能，MCM-41 表现IV 型吸附曲线，适合较高浓度VOCs 吸附；而微孔的活性炭和沸石表现I 型吸附曲线，在较低浓度下对VOCs就有很好的吸附性能。

5 存在的问题及展望

国内外研究者们对粉煤灰制备分子筛的研究仍在继续，一些技术已经得到广泛应用，并研究出了不同吸附性能的分子筛，为粉煤灰资源化利用和为环境优化提供了新途径。分子筛在解决吸附VOCs 问题上已经有了很大突破，但是仍有很多问题考虑得不够周到，需要进一步探讨：可探讨当多种VOCs 气体同时存在于某一环境中，分子筛作为吸附材料对其吸附性能的影响，这样能更好地探讨吸附材料在工业上的应用能力，为实际应用提供切实可行的处理方案；其次，以粉煤灰制备的各种分子筛的可再生性一直以来缺乏相关的理论和试验研究，须尽快找出一种高效吸附材料，并探讨不同沸石分子筛对VOCs 的吸附容量和选择性；最后，如何更好的优化或简化制备条件，开创低成本的制备方法，获得具有潜在工业应用前景的沸石分子筛关键技术，仍是具有挑战性的课题。