化學(xué)藥劑對(duì)粉煤灰改性作用的研究
朱啟紅
( 重慶文理學(xué)院，重慶 402168)
摘要: 用 CaO，Na2CO3，NaOH 等物質(zhì)對(duì)粉煤灰進(jìn)行干、濕法聯(lián)合改性，并引入熱沖擊程序，通過(guò) XRD 衍射分析粉煤灰改性前后的物相變化，研究其改性效果。結(jié)果表明: 加 CaO 焚燒 －硫酸浸泡和加 Na2CO3焚燒所得樣品的衍射峰較多; 而在加 CaO 焚燒 － 酸浸泡中引入熱沖擊則出現(xiàn)了更多緊密的衍射峰，最終確定用加有 CaO 高溫焙燒，經(jīng)熱沖擊后用( 1 +4) 酸浸泡得到的改性粉煤灰吸附性能較好。
關(guān)鍵詞: 粉煤灰; 改性; 熱沖擊; XRD 衍射
中圖分類號(hào): TD989; X705 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào):1006 －6772( 2011) 01 －0076 －04
粉煤灰是具有一定活性的微細(xì)顆粒集合體，比表面積較大，表面價(jià)鍵存在不飽和性，因此具有優(yōu)良的吸附性能和過(guò)濾性能，能吸附污水中懸浮物、脫除有色物質(zhì)、降低色度、吸附并除去污水中的耗氧物質(zhì)。國(guó)內(nèi)外相關(guān)試驗(yàn)研究證明，粉煤灰能夠廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)廢水的處理，對(duì)重金屬離子、磷酸根離子、懸浮物、油類及色度等都有一定的去除效果，但原狀粉煤灰的吸附效果不理想，因此必須改性以增加其吸附容量，減少剩余污泥，降低處理費(fèi)用。
粉煤 灰 改 性 的 方 法 主 要 有 火 法 和 濕 法 2種。火法通常是將粉煤灰與助熔劑( Na2CO3或NaOH) 按一定比例混合，在高溫下熔融，合成類沸石物質(zhì)，在其內(nèi)部形成許多孔穴和通道; 濕法又可分為酸法和堿法，其原理是通過(guò)強(qiáng)酸強(qiáng)堿的腐蝕作用，將硅、鋁、鐵等氧化物浸出，從而增大粉煤灰的比表面積，提高粉煤灰的吸附能力。2 種方法比較而言，火法的耗能較高，但粉煤灰的利用率較高; 濕法雖能耗較低，但利用率不高。因此，尋找一種合理、經(jīng)濟(jì)的改性物質(zhì)，降低粉煤灰改性的能耗，提高粉煤灰改性的利用率，對(duì)于增強(qiáng)粉煤灰在廢水處理方面的應(yīng)用具有非常重要的作用。本研究的目的是篩選出較好的改性物質(zhì)對(duì)粉煤灰進(jìn)行改性，降低粉煤灰改性的能耗，提高其吸附效率。
1 實(shí)驗(yàn)部分
1． 1 實(shí)驗(yàn)材料
粉煤灰: 重慶市永川區(qū)某電熱廠，其基本組成為 ω ( SiO2) 為 59． 82%，ω ( Al2O3) 為 25． 10%，ω( Fe2O3) 為 3． 71%，ω( CaO) 為 1． 03%，ω( MgO) 為1． 22% ，ω( Na2O) 為 0． 43% ，ω( K2O) 為 2． 14% ，ω( 燒失量) 為 6． 55%。
1． 2 儀器和藥品
SX2 － 5 － 12 高溫箱形電阻爐 ，XRD － 6000 衍射儀，SJHA － B 水浴恒溫振蕩器，101 －2AB 型電熱鼓風(fēng)干燥箱，722E 型可見光分光光度計(jì)。
Na2CO3，NaOH，CaO，H2SO4( 均為分析純) 。
1． 3 實(shí)驗(yàn)方法
篩選 NaOH，Na2CO3和 CaO 對(duì)粉煤灰進(jìn)行改性，并進(jìn)一步探討熱沖擊對(duì)粉煤灰的改性影響。改性步驟如下:
( 1) 將粉煤灰分別與 NaOH，Na2CO3，CaO 按照質(zhì)量比為 1∶ 1，1∶ 2，1∶ 1的比例混合均勻，在 700 ℃的馬弗爐中焙燒 6 h，分別得到樣品 1，2，3。
( 2) 將部分樣品 1，2，3 趁熱倒入盛有冷水的大燒杯中進(jìn)行熱沖擊，得到樣品 4，5，6。
( 3) 將部分樣品 1，2，3 和部分熱沖擊后的樣品4，5，6 在硫酸( 1 + 4) 中浸泡 8 h 后過(guò)濾，分別得到樣品 7，8，9，10，11，12。
1． 4 改性粉煤灰的 XRD 分析
結(jié)晶礦物都具有獨(dú)特的化學(xué)組成和晶體結(jié)構(gòu)。當(dāng) X 射線通過(guò)時(shí)，結(jié)晶礦物都會(huì)給出其本身結(jié)構(gòu)所決定的具有特征性的衍射峰。物質(zhì)不同衍射峰也不同，因而根據(jù)各種結(jié)晶礦物的衍射效應(yīng)，可準(zhǔn)確鑒定出礦物中的各種物相。
實(shí)驗(yàn)中將改性后的粉煤灰磨細(xì)，在 X 射線衍射儀上進(jìn)行測(cè)定。測(cè)定條件: Cu 靶; 管壓，30 kV; 管流，25 mA; 掃描速度，8( °) /min; 步寬( 2θ) ，0． 02°;發(fā)散狹縫( DS) ，1°; 接收狹縫( RS) ，0． 2 mm; 防散射狹縫( SS) ，1°; 石墨單色器; 2θ 掃描范圍 5° ～65°。
2 結(jié)果分析
由 XRD 衍射圖并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的衍射峰得知，原狀粉煤灰譜圖中主要是石英和莫來(lái)石的衍射峰，而改性粉煤灰衍射圖譜的衍射峰均有所下降，并且出現(xiàn)新的衍射峰。實(shí)驗(yàn)表明，惰性的石英和莫來(lái)石在活化劑作用下受到了一定破壞，即原狀粉煤灰的物相發(fā)生了變化，生成了新的物質(zhì)。
2． 1 NaOH 對(duì)粉煤灰改性的影響
圖 1 為原狀粉煤灰直接焚燒，圖 2( a) ，( b) ，( c) ，( d) 分別為粉煤灰中加 NaOH 焚燒、加 NaOH焚燒 － 熱沖擊、加 NaOH 焚燒 － 硫酸浸泡和加NaOH 焚燒 － 熱沖擊 － 硫酸浸泡 4 種情況改性后粉煤灰的衍射圖。
圖 2 樣品 1 中 SiO2衍射峰在 21°增強(qiáng)，26． 5°大幅下降; 莫來(lái)石的衍射峰依然存在，說(shuō)明在活化劑和高溫的作用下，SiO2之間的結(jié)合鍵能減弱，晶相結(jié)構(gòu)破壞，此外，在 29． 5°出現(xiàn)沸石 Na － P1 的峰，35°的衍射峰明顯增強(qiáng); 樣品 4 中石英的衍射峰也在21°增強(qiáng)，在 26． 5° 大幅度下降，莫來(lái)石的峰依然存在，而且在 35°左右也出現(xiàn)新的衍射峰，說(shuō)明有新的物質(zhì)生成; 樣品 7 的衍射峰與原灰比較，峰形減少，強(qiáng)度也減弱; 樣品 10 中出峰位置變化不大，峰的強(qiáng)度有所下降，說(shuō)明熱沖擊的引入對(duì)加 NaOH 焚燒粉煤灰的影響不明顯。
2． 2 Na2CO3對(duì)粉煤灰改性的影響
Na2CO3與 SiO2作用激發(fā)的活性生成 Na2SiO3，與 Al2O3反應(yīng)生成鋁酸鈉、偏鋁酸鈉等復(fù)雜的熔融物，再進(jìn)一步生成多孔性的物質(zhì)。在高溫焙燒下Na2CO3與粉煤灰作用，對(duì)粉煤灰的硅酸鹽玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有直接的破壞作用，將網(wǎng)絡(luò)高聚體解聚成低聚度硅酸鹽膠體物，粉煤灰顆粒變得多孔，呈膨松態(tài)，比表面積增大，提高了粉煤灰的吸附混凝性能。
圖 3( a) ，( b) ，( c) ，( d) 分別為粉煤灰中加Na2CO3焚燒、加Na2CO3焚燒 －熱沖擊、加Na2CO3焚燒 －硫酸浸泡和加Na2CO3焚燒 －熱沖擊 －硫酸浸泡4 種情況改性后粉煤灰的衍射圖。樣品 2 中石英和莫來(lái)石的特征衍射峰大幅度下降，在 21°，24°，26°，33°，35°，37°，38°，40°，42°出現(xiàn)了緊密的衍射峰，粉煤灰中的成分發(fā)生了變化，判定有霞石生成，新物質(zhì)的生成引起了原灰內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變; 從樣品 5 的衍射圖可以看出衍射峰明顯增多，在 21°，23°，26°，27°，29°，31°，34°出現(xiàn)緊密的衍射峰，出現(xiàn) Na2SiO3，NaAlSiO4的衍射峰，新物質(zhì)主要以霞石為主; 樣品 8 和樣品 11的譜圖區(qū)別較小，與原灰的出峰位置基本相同。從加入 Na2CO3得到的 4 種改性粉煤灰可以看出，只加Na2CO3焚燒和加 Na2CO3焚燒 － 熱沖擊對(duì)粉煤灰的內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變較大。
2． 3 CaO 對(duì)粉煤灰改性的影響
圖( 4) ( a) ，( b) ，( c) ，( d) 分別為粉煤灰中只加CaO 焚燒、加 CaO 焚燒 － 熱沖擊、加 CaO 焚燒 － 硫酸浸泡和加 CaO 焚燒 － 熱沖擊 － 硫酸浸泡 4 種情況改性后粉煤灰的衍射圖。與原灰相比，圖 4 中衍射峰都有所增多且峰的強(qiáng)度增強(qiáng)。樣品 3 的譜圖中，在18°，21°，23°，26°，29°，32°，34°，36°，38°，39°，43°，47°，48． 5°，54°出現(xiàn)了衍射峰，樣品 6 的譜圖和樣品 3 差不多，說(shuō)明熱沖擊的引入對(duì)粉煤灰的結(jié)構(gòu)變化影響不大; 從樣品 9 和樣品 12 的譜圖可以看出，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°都出現(xiàn)比較明顯的衍射峰，熱沖擊和加酸對(duì)粉煤灰的內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響較大，而且加熱沖擊的衍射峰強(qiáng)度更強(qiáng)。用硫酸浸泡處理的粉煤灰釋放出大量的 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內(nèi)部變得更加粗糙，比表面積增加，孔隙率增加。
3 結(jié) 論
用 NaOH，Na2CO3，CaO 3 種改性物質(zhì)和粉煤灰分別以質(zhì)量比為 1∶ 1，2∶ 1，1∶ 1經(jīng) 700 ℃ 高溫焙燒后，引入熱沖擊，再用硫酸( 1 +4) 浸泡。從 12 個(gè)樣品的 XRD 譜圖可看出，沒(méi)有引入熱沖擊的 6 個(gè)樣品中加 CaO 焚燒 － 硫酸浸泡和加 Na2CO3焚燒得到的衍射峰較多; 而在加 CaO 焚燒 － 酸浸泡中引入熱沖擊則出現(xiàn)了更多緊密的衍射峰，從中可初步確定用加有 CaO 高溫焙燒，經(jīng)熱沖擊后用( 1 +4) 酸浸泡得 到的改性粉煤灰吸附性能較好。
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來(lái)源：中國(guó)化學(xué)試劑網(wǎng)
