粉煤灰综合利用研究现状

摘要：指出了随着经济的快速增长和城市化进程的不断加快，电厂的粉煤灰排放量不断增加，其资源化利用已成为世界各国政府和专家学者极为关注的问题。结合粉煤灰的物理化学性质特点，探讨了粉煤灰在建筑、道路、污水处理、农业、催化反应等方面的一些应用新途径和应用现状。

关键词：粉煤灰；综合利用；资源化

收稿日期：20130508

作者简介：黎 丹（1982—），女，湖北嘉鱼人，工程师，主要从事城市燃气规划设计工作。

通讯作者：吴 俊（1986—），男，湖北武汉人，硕士，助理工程师，主要从事城市燃气规划设计工作。中图分类号：TU5 文献标识码：A

文章编号：16749944（2013）07019703

1 引言

粉煤灰俗称飞灰，是火力发电厂的废弃物，即煤粉在1100～1700℃下燃烧后，由烟道气带出并经除尘器收集的粉尘。近年来，我国的能源工业稳步发展，发电能力年增长率为7.3%，电力工业的迅速发展，带来了粉煤灰排放量的急剧增加，燃煤热电厂每年所排放的粉煤灰总量逐年增加，1995年粉煤灰排放量达1.25亿t，2000年约为1.5亿t，到2012年已达到3亿多t，加上目前我国已有20亿t的粉煤灰堆存量，粉煤灰总的堆存量将会超过30多亿t[1]，大量的粉煤灰若不合理处置，不仅会占用大片可利用土地，也会严重污染大气，而且在堆放地也存在通过雨水渗透到地下污染地下水的风险，其灰浆排放到江河湖泊，阻塞河道，直接影响到水生物的生长，破坏生态平衡[2]；另一方面，我国又是一个人均占有资源储量有限的国家，粉煤灰的综合利用，变废为宝、变害为利，已成为我国经济建设中一项重要的技术经济政策，是解决我国电力行业环境污染，相对人均资源资源缺乏的重要手段。

粉煤灰不同于其他工业废渣，粉煤灰的再利用、质量稳定性受很多因素影响，地区不同、排放方式不同、处理方式不同等都会影响粉煤灰的可用性。这决定了对于粉煤灰的利用必定是多方面、多途径的。长期以来，我国对于粉煤灰的利用主要集中在建材制品、建筑工程、污水处理、土壤改良等方面[3～8]。

2 粉煤灰的物化性质

粉煤灰是一种高分散度的集合体，是人工火山质材料。它的物理化学性质一般和燃煤的品种、细度、燃烧温度、燃烧方式以及粉煤灰的收集和排灰方式有很大关系。粉煤灰由大小不等、形状不规则的粒状体组成，其粒径在0.5～300μm之间，平均密度为2g/cm3左右。在粉煤灰的形成过程中，由于表面张力的影响，粉煤灰颗粒大多为空心微珠，微珠表面很粗糙，分布极不均匀，微孔较小；由于互相碰撞，一部分微珠在溶融状态下结合成为表面凹凸不平，孔隙含量丰富蜂窝状粒子。因此，粉煤灰具有巨大的比表面积，一般为800～3500cm2/g，需水量比约为106%[9]（表1）。

粉煤灰的主要化学成分是SiO2、Al2O3和Fe2O3，另外还含有未燃尽的碳粒、CaO和少量的TiO2、MgO、K2O、Na2O、SO3、MnO2等。其中SiO2、TiO2来自黏土；Fe2O3主要来自黄铁矿；MgO和CaO来自与其相应的碳酸盐和硫酸盐。矿物组成一般是玻璃体为主，质量分数最高可达85%以上，矿物结晶体则较少。粉煤灰的活性主要取决于非晶态的玻璃体成分含量及其结构和性质，结晶矿物对它活性的影响很小（表2）。

3 粉煤灰的主要应用领域

3.1 在建筑行业的应用

3.1.1 粉煤灰制备水泥

粉煤灰的化学成分类似于粘土，主要含SiO2和Al2O3。因此粉煤灰可替代黏土进行配料，用于水泥生产。如今工艺成熟的粉煤灰水泥有硅酸盐水泥、硅酸三钙水泥、硫酸铝酸钙水泥等，其中有些水泥的粉煤灰掺量可以高达75%。粉煤灰用于水泥生产，不仅可以用作水泥原料，还可以用作水泥混合材和生产特种水泥。粉煤灰在水泥行业里的应用体现了经济和效益相结合，具体表现在废物利用、增加产量、降低产品成本、改善水泥功能及环境保护[10]。

3.1.2 粉煤灰制备混凝土

粉煤灰混凝土是指掺入粉煤灰制备的混凝土。实践证明在配置混凝土混合料时，掺入一定量的粉煤灰，可达到提高混凝土性能、节约水泥、提高混凝土质量和工程质量，以达到降低施工成本和工程造价的目的，从而实现粉煤灰经济效益和社会效益一体化。国内在粉煤灰混凝土方面做的应用研究很多，汪潇[11]等研究了50%和60%掺量的粉煤灰混凝土的力学性能，收缩性能和抗碳化能力等，结果表明：大掺量的粉煤灰混凝土强度与基准混凝土相当；收缩量低于基准混凝土；抗碳化能力也优于基准混凝土，显示了优异的工程性能；刘鲁强[12]在对百色水利枢纽工程的基础上，首次提出了变态混凝土的概念：由水泥、粉煤灰、外加剂组成的混凝土浆液。工程现场的检测结果表明，变态混凝土的各项指标都能达到设计需要，其中抗渗性能和极限拉伸值比一般混凝土更高，水泥用量大幅度减少，每立方可节省66 kg水泥。工程运行6年，大坝未发现有渗漏或裂缝现象，工程运行良好。李美利[13]等研究了高性能混凝土强度随粉煤灰含量的变化情况。

3.2 粉煤灰应用于道路工程

粉煤灰可以作为填筑材料使用在道路工程中，是用量大、直接处理利用粉煤灰的一种途径，粉煤灰的利用量可以达到总利用量的1/5。已有实例将粉煤灰应用于广场、道路路堤和地基、机场，以及用于大坝和地貌改造等工程。以粉煤灰、石灰及碎石（或其他材料）通过合适的比例、一定含水量、制备的混合料可以用于修筑道路基层和路堤。在路用混凝土工程中，通过粉煤灰和减水剂加入，可以制备粉煤灰水泥混凝土。这种混凝土不仅节约水泥，而且可以使其强度和耐磨性得到提高。对软弱地基和膨胀土，可在路基土中加入粉煤灰以及石灰等，能够有效地改进路基的力学性质。在道路工程的实践中，粉煤灰的作用主要是稳定路面基层，制备沥青混凝土。除此之外，粉煤灰还大量用于护堤工程、修筑大坝和护坡工程等。上海的沪嘉高速公路以及河北省的石安高速公路等都大量使用了粉煤灰用作修筑路堤材料。

3.3 在污水处理中的应用

3.3.1 应用于生活污水处理

生活污水治理研究重点一直都集中在高效处理工艺的开发和新型污水处理剂的研究上，但近年来，由于国家倡导的废物利用以及资源化政策，粉煤灰作为一种价格低，来源广的活性材料，引起了很多学者和专家的注意。通过研究，粉煤灰对生活污水的COD有很高效的去除效率，当灰/水为1∶10时，粉煤灰和活性炭达到吸附平衡时，对COD的去除率分别为80%以上和90%以上。粉煤灰对COD的吸附等温方程符合Freundlich吸附等温方程。并且对COD吸附的最佳条件是：低pH、高灰/水、粉煤灰为粗粒径。易剑峰[14]把将粉煤灰掺入污泥对生活污水进行处理，研究了这种复合方法对污水中COD、BOD5、SS的去除效果，结果表明粉煤灰与污泥以适当比例混合后，通过一定条件，生活污水中COD、BOD5、SS达到了比较理想的净化效果。白云起[15]探究了粉煤灰处理生活污水时最佳条件：投加量为18 g/0.1 L，180目粒度，吸附时间为75 min，最佳条件下COD去除率可达到95 %以上。柳丹[16]等通过改性粉煤灰对生活污水进行处理，通过絮凝除去杂质，经过磁场的加速富集作用，达到了对生活污水的净化。

3.3.2 应用于染料废水处理

粉煤灰比表面积大、孔隙多、孔径分布窄，在处理工业污水上具有很大价值。粉煤灰净化工业废水的机理是：粉煤灰与工业废水接触后，能捕收废水中的有机污染物和无机污染物，最终吸附平衡。粉煤灰的吸附包括物理吸附和化学吸附。物理吸附效果取决于粉煤灰的比表面积大小和孔径分布；化学吸附能力主要取决于粉煤灰表面的特征官能团，如表面的Al-O-Al键和Si-O-Si键等。通过官能团的极性，对污染物进行吸附的吸附。李晓颖[17]研究了改性粉煤灰对印染废水色度的去除，结果表明：在粉煤灰投加量为2.4 g，粒度为100～120目，温度为30℃，pH=10时印染废水的色度可以由600倍下降到65倍，使废水达到二级标准排放。

3.3.3 应用于高氟、高磷、高铬水体处理

对于工业生产中产生的特种废水，粉煤灰也有着良好的处理效果。粉煤灰含有Al2O3、CaO等活性组分，能与氟络合沉降，或者生成胶体离子通过絮凝去除含氟物质。由于粉煤灰比表面积大，富含Al2O3和CaO，而这两种物质是吸附磷的主要物质。粉煤灰对磷的吸附主要是化学吸附，符合Langmuir吸附等温模型。叶爱英[18]通过用Al（OH）3对粉煤灰改性，研究了改性粉煤灰对磷的去除效果：改性粉煤灰可以达到深度除磷的效果，当投加量为10g/L时，对10mg/L的磷废水去除率达到99.7%。铬是一种有毒重金属元素，随着我国工业的快速发展与对环境治理的不重视，一些地区的地下水中Cr6+含量已经超标。粉煤灰作为新型吸附剂也开始被学者们广泛的研究。朱利霞[19]等利用铁屑和粉煤灰作为介质来处理高Cr6+地下水，研究了粉煤灰去除Cr6+的机理。结果表明：粉煤灰对含Cr6+地下水净化效果良好，处理后Cr6+含量可达到地下水质量三级标准。

3.4 应用于土壤改良

盐渍土地的日益扩大化是我国一直都存在问题，跟据中央农业部的估计我国约有3亿亩的盐渍土地。盐渍土在我国分布面积很广，对农业生产影响极大：盐渍严重的土地不能生长农作物；盐渍程度稍轻的土地虽然能耕种，但是农产品产量很低，改良盐渍土壤已成为我国迫在眉睫的大事。粉煤灰具有良好的改良盐碱地土壤的性质，其改良土壤主要是通过三个方面：（1）离子交换作用。粉煤灰中的活性成分氧化钙、氧化镁消解生成氢氧化钙，氢氧化镁，离解的钙镁离子能够置换盐渍土中的钠离子和钾离子；（2）碳酸化作用。氢氧化钙，氢氧化镁能不断的吸收空气中的二氧化碳而生成碳酸化合物，而碳酸化合物有助于土壤的胶结，提高土壤结构；（3）凝胶作用。粉煤灰中的碱金属氧化物水解使土壤呈碱性，而碱性条件又会激发二氧化硅，氧化铝，和氧化铁的活性，在土体形成凝胶，硬化成保护膜，从而增强土体强度[20]。

3.5 应用于催化反应中

粉煤灰作为化学反应催化剂的研究已经有了一定的进展：罗道成[21]等人利用粉煤灰作为非均相催化剂，催化氧化CN-。试验结果表明，粉煤灰具有较好的催化活性，该法可用于预处理制革、电镀等行业中含CN-的工业废水。古绪鹏[22]等人以粉煤灰、活性剂、硫酸为原料经活化陈化、浸泡、焙烧等工艺制得了酸催化剂，并应用于草酸二乙酯的合成。

2013年7月 绿 色 科 技 第7期4 结语

粉煤灰作为一种人造资源还应加大开发力度，开拓新的应用领域。由于粉煤灰的种类日趋复杂和多样化，其资源化利用的方式也在朝多元化方向发展。例如在粉煤灰中选出活性炭，提取各种金属化合物以及冶炼合金等。作为资源化的一种方式，粉煤灰还应该加大其作为填充材料在塑料、橡胶行业的研究推广力度；进一步研究粉煤灰作为催化剂载体在化学工程中的应用。总之综合利用粉煤灰是我国一项长期的技术经济政策，其研究将会持续不断地进行下去。

参考文献：

[1] 王学武，赵风清.粉煤灰综合利用研究述评[J].粉煤灰综合利用，2001（6）：39～40.

[2] 王鹏飞.粉煤灰综合利用研究进展[J].电力环境保护，2006，22（2）：42～44.

[3] 钱觉时.粉煤灰排放标准与建材资源化[J].粉煤灰综合利用，1998（1）：48～50.

[4] Ahmaruzzaman M，Gupta VK.Application of coal fly ash in air quality management[J].Ind，Eng，Chem，Res，2012，51（47）：15299～15314.

[5] Ettler V，Mihaljevi M.Experimental in situ transformation of Pb smelter fly ash in acidic soils[J].Environ，Sci，Technol，2012，46（19）：10539～10548.

[6] Xing L L，Xu Y L，Zhong Q.Mn and Fe modified fly ash as a superior catalyst for elemental mercury capture under air conditions[J].Energy Fuels，2012，26（8）：4903～4909.

[7] Muhammad S，Saputra E.Heterogeneous catalytic oxidation of aqueous phenol on red mud-supported cobalt catalysts[J].Ind.Eng Chem Res，2012，51（47）：15351～15359.

[8] Oh Y，Morris CD，Kanatzidis MG.Polysulfide Chalcogels with Ion-Exchange Properties and Highly Efficient Mercury Vapor Sorption[J].J Am Chem Soc，2012，134（35）：14604～14608.

[9] 刘兴德，牛福生，倪 文.粉煤灰的资源化利用现状与研究进展[J].建材技术与应用，2005，30（1）：248～252.

[10] Qian JS，Shi CJ，Wang Z.Activation of blended cements containing fly ash[J].Cement and Concrete Research，2001，31（8）：1121～1127.

[11] 汪 潇，王宇斌，杨留栓，等.高性能大掺量粉煤灰混凝土研究[J].硅酸盐通报，2013（32）3：523～527.

[12] 归树茂.大体积混凝土基础内部温度的变化规律及对策[J].建筑技术，1997，28（1）：18～19.

[13] Li ML，Qiang JS.Assessment of curing efficiency and effect of moist curing on performance of fly ash concrete[J].Journal of Wuhan University of Technology（Materials Science Edition），2011，26（2）：361～366.

[14] 易剑锋.城市污泥中掺杂粉煤灰处理生活污水的研究[J].广东化工，2009，8（36）：171～172.

[15] 白云起.粉煤灰处理生活洗衣废水的研究[J].粉煤灰综合利用，2009（1）：23～25.

[16] 蔡冬青，柳 丹.磁控改性复配物治理水华的研究[J].中国环境科学，2007，27（5）：661～664.

[17] 李晓颖.改性粉煤灰处理印染废水的研究[J].辽宁化工，2013 42（2）：112～114.

[18] 叶爱英，徐景峰.粉煤灰的改性、成型及深度除磷应用[J].化工环保，2013（33）：84～86

[19] 贺玉晓，朱利霞，王海邻，等.铁屑+粉煤灰在处理高Cr（VI）地下水中的应用[J].能源环境保护，2009，23（2）：33～36.

[20] 杨晓松，刘井强，党进谦.粉煤灰改良氯盐渍土工程特性试验研究[J].长江科学院院报，2012，29（11）：82～86

[21] 罗道成，陈安国，刘俊峰.粉煤灰催化H2O2氧化CN-的研究[J].煤化工，2003（6）：26～28.

[22] 古绪鹏.粉煤灰固体酸催化合成草酸二乙酯的研究[J].精细石油化工，2003（6）：19～21.