化学药剂对粉煤灰改性作用的研究
朱启红
( 重庆文理学院，重庆 402168)
摘要: 用 CaO，Na2CO3，NaOH 等物质对粉煤灰进行干、湿法联合改性，并引入热冲击程序，通过 XRD 衍射分析粉煤灰改性前后的物相变化，研究其改性效果。结果表明: 加 CaO 焚烧 －硫酸浸泡和加 Na2CO3焚烧所得样品的衍射峰较多; 而在加 CaO 焚烧 － 酸浸泡中引入热冲击则出现了更多紧密的衍射峰，最终确定用加有 CaO 高温焙烧，经热冲击后用( 1 +4) 酸浸泡得到的改性粉煤灰吸附性能较好。
关键词: 粉煤灰; 改性; 热冲击; XRD 衍射
中图分类号: TD989; X705 文献标识码: A 文章编号:1006 －6772( 2011) 01 －0076 －04
粉煤灰是具有一定活性的微细颗粒集合体，比表面积较大，表面价键存在不饱和性，因此具有优良的吸附性能和过滤性能，能吸附污水中悬浮物、脱除有色物质、降低色度、吸附并除去污水中的耗氧物质。国内外相关试验研究证明，粉煤灰能够广泛应用于各种工业废水的处理，对重金属离子、磷酸根离子、悬浮物、油类及色度等都有一定的去除效果，但原状粉煤灰的吸附效果不理想，因此必须改性以增加其吸附容量，减少剩余污泥，降低处理费用。
粉煤 灰 改 性 的 方 法 主 要 有 火 法 和 湿 法 2种。火法通常是将粉煤灰与助熔剂( Na2CO3或NaOH) 按一定比例混合，在高温下熔融，合成类沸石物质，在其内部形成许多孔穴和通道; 湿法又可分为酸法和碱法，其原理是通过强酸强碱的腐蚀作用，将硅、铝、铁等氧化物浸出，从而增大粉煤灰的比表面积，提高粉煤灰的吸附能力。2 种方法比较而言，火法的耗能较高，但粉煤灰的利用率较高; 湿法虽能耗较低，但利用率不高。因此，寻找一种合理、经济的改性物质，降低粉煤灰改性的能耗，提高粉煤灰改性的利用率，对于增强粉煤灰在废水处理方面的应用具有非常重要的作用。本研究的目的是筛选出较好的改性物质对粉煤灰进行改性，降低粉煤灰改性的能耗，提高其吸附效率。
1 实验部分
1． 1 实验材料
粉煤灰: 重庆市永川区某电热厂，其基本组成为 ω ( SiO2) 为 59． 82%，ω ( Al2O3) 为 25． 10%，ω( Fe2O3) 为 3． 71%，ω( CaO) 为 1． 03%，ω( MgO) 为1． 22% ，ω( Na2O) 为 0． 43% ，ω( K2O) 为 2． 14% ，ω( 烧失量) 为 6． 55%。
1． 2 仪器和药品
SX2 － 5 － 12 高温箱形电阻炉 ，XRD － 6000 衍射仪，SJHA － B 水浴恒温振荡器，101 －2AB 型电热鼓风干燥箱，722E 型可见光分光光度计。
Na2CO3，NaOH，CaO，H2SO4( 均为分析纯) 。
1． 3 实验方法
筛选 NaOH，Na2CO3和 CaO 对粉煤灰进行改性，并进一步探讨热冲击对粉煤灰的改性影响。改性步骤如下:
( 1) 将粉煤灰分别与 NaOH，Na2CO3，CaO 按照质量比为 1∶ 1，1∶ 2，1∶ 1的比例混合均匀，在 700 ℃的马弗炉中焙烧 6 h，分别得到样品 1，2，3。
( 2) 将部分样品 1，2，3 趁热倒入盛有冷水的大烧杯中进行热冲击，得到样品 4，5，6。
( 3) 将部分样品 1，2，3 和部分热冲击后的样品4，5，6 在硫酸( 1 + 4) 中浸泡 8 h 后过滤，分别得到样品 7，8，9，10，11，12。
1． 4 改性粉煤灰的 XRD 分析
结晶矿物都具有独特的化学组成和晶体结构。当 X 射线通过时，结晶矿物都会给出其本身结构所决定的具有特征性的衍射峰。物质不同衍射峰也不同，因而根据各种结晶矿物的衍射效应，可准确鉴定出矿物中的各种物相。
实验中将改性后的粉煤灰磨细，在 X 射线衍射仪上进行测定。测定条件: Cu 靶; 管压，30 kV; 管流，25 mA; 扫描速度，8( °) /min; 步宽( 2θ) ，0． 02°;发散狭缝( DS) ，1°; 接收狭缝( RS) ，0． 2 mm; 防散射狭缝( SS) ，1°; 石墨单色器; 2θ 扫描范围 5° ～65°。
2 结果分析
由 XRD 衍射图并结合标准物质的衍射峰得知，原状粉煤灰谱图中主要是石英和莫来石的衍射峰，而改性粉煤灰衍射图谱的衍射峰均有所下降，并且出现新的衍射峰。实验表明，惰性的石英和莫来石在活化剂作用下受到了一定破坏，即原状粉煤灰的物相发生了变化，生成了新的物质。
2． 1 NaOH 对粉煤灰改性的影响
图 1 为原状粉煤灰直接焚烧，图 2( a) ，( b) ，( c) ，( d) 分别为粉煤灰中加 NaOH 焚烧、加 NaOH焚烧 － 热冲击、加 NaOH 焚烧 － 硫酸浸泡和加NaOH 焚烧 － 热冲击 － 硫酸浸泡 4 种情况改性后粉煤灰的衍射图。
图 2 样品 1 中 SiO2衍射峰在 21°增强，26． 5°大幅下降; 莫来石的衍射峰依然存在，说明在活化剂和高温的作用下，SiO2之间的结合键能减弱，晶相结构破坏，此外，在 29． 5°出现沸石 Na － P1 的峰，35°的衍射峰明显增强; 样品 4 中石英的衍射峰也在21°增强，在 26． 5° 大幅度下降，莫来石的峰依然存在，而且在 35°左右也出现新的衍射峰，说明有新的物质生成; 样品 7 的衍射峰与原灰比较，峰形减少，强度也减弱; 样品 10 中出峰位置变化不大，峰的强度有所下降，说明热冲击的引入对加 NaOH 焚烧粉煤灰的影响不明显。
2． 2 Na2CO3对粉煤灰改性的影响
Na2CO3与 SiO2作用激发的活性生成 Na2SiO3，与 Al2O3反应生成铝酸钠、偏铝酸钠等复杂的熔融物，再进一步生成多孔性的物质。在高温焙烧下Na2CO3与粉煤灰作用，对粉煤灰的硅酸盐玻璃网络结构具有直接的破坏作用，将网络高聚体解聚成低聚度硅酸盐胶体物，粉煤灰颗粒变得多孔，呈膨松态，比表面积增大，提高了粉煤灰的吸附混凝性能。
图 3( a) ，( b) ，( c) ，( d) 分别为粉煤灰中加Na2CO3焚烧、加Na2CO3焚烧 －热冲击、加Na2CO3焚烧 －硫酸浸泡和加Na2CO3焚烧 －热冲击 －硫酸浸泡4 种情况改性后粉煤灰的衍射图。样品 2 中石英和莫来石的特征衍射峰大幅度下降，在 21°，24°，26°，33°，35°，37°，38°，40°，42°出现了紧密的衍射峰，粉煤灰中的成分发生了变化，判定有霞石生成，新物质的生成引起了原灰内部结构的改变; 从样品 5 的衍射图可以看出衍射峰明显增多，在 21°，23°，26°，27°，29°，31°，34°出现紧密的衍射峰，出现 Na2SiO3，NaAlSiO4的衍射峰，新物质主要以霞石为主; 样品 8 和样品 11的谱图区别较小，与原灰的出峰位置基本相同。从加入 Na2CO3得到的 4 种改性粉煤灰可以看出，只加Na2CO3焚烧和加 Na2CO3焚烧 － 热冲击对粉煤灰的内部结构改变较大。
2． 3 CaO 对粉煤灰改性的影响
图( 4) ( a) ，( b) ，( c) ，( d) 分别为粉煤灰中只加CaO 焚烧、加 CaO 焚烧 － 热冲击、加 CaO 焚烧 － 硫酸浸泡和加 CaO 焚烧 － 热冲击 － 硫酸浸泡 4 种情况改性后粉煤灰的衍射图。与原灰相比，图 4 中衍射峰都有所增多且峰的强度增强。样品 3 的谱图中，在18°，21°，23°，26°，29°，32°，34°，36°，38°，39°，43°，47°，48． 5°，54°出现了衍射峰，样品 6 的谱图和样品 3 差不多，说明热冲击的引入对粉煤灰的结构变化影响不大; 从样品 9 和样品 12 的谱图可以看出，二者在 11． 5°，14． 5°，21°，25°，26． 5°，29°，31°，32°，36°，38°，39． 5°，42． 5°，43． 5°，47． 5°，48． 5°，49． 5°都出现比较明显的衍射峰，热冲击和加酸对粉煤灰的内部结构影响较大，而且加热冲击的衍射峰强度更强。用硫酸浸泡处理的粉煤灰释放出大量的 Al3 +，混合物中含有 Al2( SO4)3，H2SiO3等成分，酸浸后使粉煤灰表面微孔内部变得更加粗糙，比表面积增加，孔隙率增加。
3 结 论
用 NaOH，Na2CO3，CaO 3 种改性物质和粉煤灰分别以质量比为 1∶ 1，2∶ 1，1∶ 1经 700 ℃ 高温焙烧后，引入热冲击，再用硫酸( 1 +4) 浸泡。从 12 个样品的 XRD 谱图可看出，没有引入热冲击的 6 个样品中加 CaO 焚烧 － 硫酸浸泡和加 Na2CO3焚烧得到的衍射峰较多; 而在加 CaO 焚烧 － 酸浸泡中引入热冲击则出现了更多紧密的衍射峰，从中可初步确定用加有 CaO 高温焙烧，经热冲击后用( 1 +4) 酸浸泡得 到的改性粉煤灰吸附性能较好。
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来源：中国化学试剂网
