[发明专利]一种改性粉煤灰材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种改性粉煤灰材料的制备方法，包括以下步骤：(1)称取一定质量的粉煤灰及固体碱、可溶性磷酸盐；(2)将粉煤灰与固体碱置于离心管中混合均匀，并将可溶性磷酸盐配制成溶液加入离心管中，浸泡、水浴振荡，取出后自然冷却至室温；(3)对离心管进行离心、过滤分离后，用去离子水洗涤、烘干，得到混合化学改性粉煤灰；其中，所述固体碱及可溶性磷酸盐反应的产物磷酸盐与粉煤灰的质量比范围为9:1—2:1。还公开了一种由该制备方法制备的改性粉煤灰及其在吸附和钝化重金属中的应用。本发明通过碱激发以及磷酸盐改性产生改性后的粉煤灰，大大提高粉煤灰对重金属的吸附效果。

技术领域

本发明涉及粉煤灰资源化利用领域，特别是涉及一种改性粉煤灰材料及其制备方法与应用。

背景技术

随着我国社会和经济的快速发展，近年来资源消耗量急剧增长，粉煤灰产量呈逐年上升趋势，已成为中国最大单一固体污染源。其巨大的总量占用大量土地，使农业耕地面积受到限制，甚至污染周边土壤和水体。由于重金属污染具有持久性、长期潜伏性、地域性以及不易修复等特点，能够对农产品安全和人体健康构成威胁，已经逐渐发展为一个不容忽视的环境问题。

大量的研究结果表明，粉煤灰由于其独特的凝胶性能及特有的球形结构和粒度分布等特征，使其具有多种潜在的综合利用价值，但是由于其稳定的结构，在对粉煤灰应用中效果一般。对此，一些学者采用一系列改性方法，进一步改善粉煤灰性质，拓展其应用领域。粉煤灰具有比表面积大、吸附性能良好等特点，但其具有特殊的玻璃体结构且本身较稳定，很难在溶液中达到较好的吸附效果。近年来研究发现通过物理、化学或生物方法可增加其比表面积、孔隙率及阳离子交换能力，提升其吸附性能，从而实现对粉煤灰的改性，提高粉煤灰的综合利用率。

1、物理、生物改性

球磨改性是物理改性的一种，其是利用研磨方法破坏粉煤灰的晶体结构，增加粉煤灰的比表面积，提高粉煤灰的吸附性能。值得一提的是，有研究结果表明原始粉煤灰对Pb、Cu等重金属去除率在70.0％左右，相同条件下球磨粉煤灰对Pb、Cu去除效率达到96.0％，均高于原始粉煤灰。此外，其他研究结果表明粉煤灰经过高温煅烧后硅铝含量提高，活性增强，可用于后续粉煤灰改性的预处理。

近年来研究发现可利用腐蚀微生物对粉煤灰进行改性，其粘附和分解代谢改变粉煤灰的亲脂性表面和细胞结构，增强粉煤灰与聚合物的相容性。粉煤灰中含有腐蚀性微生物(异化铁还原菌(DIRB)和硫酸盐还原菌(SRB))所需要的物质，具有较高的结合亲和力，微生物很容易粘附在粉煤灰表面，形成生物膜。微生物腐蚀严重时，粉煤灰的多孔表面会发生坍塌，表现出较小尺寸的细胞形态，孔隙体积明显增大，颗粒尺寸明显减小，表面活性和吸附能力增强。

2、化学改性

化学改性主要有酸改性、碱改性、表面改性(主要通过有机试剂进行改性)等方法：

(1)酸改性改变粉煤灰中Al-O、Si-O-Si及Si-O键间的作用力，导致晶面之间扩张，增大粉煤灰表面孔隙率及比表面积。目前改性粉煤灰常用酸包括HCl、H₂SO₄等。研究发现酸改性粉煤灰可显著提升其对精制棉黑液COD和色度的去除效果，最大去除率分别为68.0％和70.4％，是原始粉煤灰的1.97、1.32倍。此外，HCl改性可提高粉煤灰比表面积，但会导致溶解性钙含量下降；H₂SO₄可以有效固定钙离子；HCl+H₂SO₄混合酸改性对粉煤灰吸附磷酸盐的效率达到最高。以上结果表明：酸改性粉煤灰使用酸的种类、浓度及改性条件等因素都会对改性效果产生影响；