工业固体废弃物制备吸附剂的研究进展

工业固体废弃物制备吸附剂的研究进展

郭芸

广州紫科环保科技股份有限公司广东广州510000

摘要：本文在查阅国内外相关文献资料的基础上，主要探讨了我国大宗工业固体废弃物在制备吸附剂方面的研究现状，提出来利用此类工业固体废弃物制备吸附剂在应用过程中存在的问题、研究方向及其应用的前景。

关键词：工业固体废弃物；吸附剂；废水；废气

Progressinpreparationofadsorbentfromindustrialsolidwaste

Abstract:Onthebasisofconsultingrelevantliteratureathomeandabroad,thispapermainlydiscussestheresearchstatusofbulkindustrialsolidwasteinthepreparationofadsorbent,andputsforwardtheexistingproblems,researchdirectionandapplicationprospectintheapplicationprocessofpreparationofadsorbentwiththiskindofindustrialsolidwaste.

Keywords:Industrialsolidwaste;adsorbent;Wastewater;Wastegas

《大宗工业固体废物“十二五”规划》中提到，2015年我国大宗工业固体废弃物的总产量为47.21亿吨，大中城市综合利用率50%。其中，主要用在生产建筑材料、回填、复垦、提取贵金属等行业。大多数工业固体废弃物被集中堆存，不仅占用日趋紧张的土地资源，而且长期露天堆存，对周围空气和水环境存在严重的威胁。粉煤灰、煤矸石、赤泥、钢渣这四类固体废弃物的比表面积大，并含有丰富的铝、铁、硅等元素，且具备吸附材料的基本特点。近几年来，环保领域国内外专家主要研究通过改性或复配的方式，提高这几种材料的吸附性能，并探索其应用于废水和废气方向的机理。

1.粉煤灰基吸附剂

煤炭是我国的第一大能源，随着煤电厂的增加，粉煤灰的产量也在急剧增加，2010年产生量达到4.8亿吨，利用量达到3.26亿吨，综合利用率约68％，并且产量逐年增加，粉煤灰的利用也是固废行业的热点。我国火电厂粉煤灰的主要氧化物组成为：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2等。粉煤灰在水处理中的作用机理，主要通过物理吸附和化学吸附。粉煤灰的物理吸附，主要是凭借其大的比表面积。化学吸附主要是由于粉煤灰表面存在大量的铝、铁、硅等活性质点，能与吸附质通过化学键发生结合。当在酸性条件下，水中的阴离子可与粉煤灰中次生的正电硅酸铝、硅酸钙和硅酸铁等化学物质之间形成离子交换或者离子对吸附。粉煤灰与水相溶后，粉煤灰中所含的Al2O3和Fe2O3会形成络合物Al(H2O)3+和Fe(H2O)3+，然后水解出Al3+和Fe3+，通过与水化膜中的水分子作用，增强了水中溶解和吸附杂质的能力[1]。

范思思等[2]利用氢氧化钠对粉煤灰进行改性，改性后的粉煤灰用于处理含铜废水，结果表明，在反应时间90min、吸附剂投加量3g、溶液pH为9时，改性粉煤灰对二价铜离子的吸附率达到99%以上。袁宏涛等[3]利用硫酸对粉煤灰进行改性用于处理含石油烃类废水，确定了粉煤灰吸附石油烃类废水的最佳改性条件为:室温，改性剂为1.0mol/L硫酸溶液，搅拌速度315r/min，搅拌时间30min，灰酸比1∶5。在该工艺条件下,石油烃的浓度由1167mg/L下降至2.8mg/L，除油率为99.76%，达到较好的除油效果。刘恒恒等[4]利用改性粉煤灰制备成CeO2-CuO-粉煤灰吸附剂，得到了最佳的制备条件，并用于吸附SO2和NO气体，得到了各自最佳的吸附条件。

2.煤矸石基吸附剂

煤矸石是采煤过程和洗煤过程中排放的固体废物，是一种在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石。2010年，我国煤矸石产生量约5.94亿吨，综合利用率约61.4%，煤矸石的主体成分是碳（10%-30%），硅铝酸盐（60%-70%）以及其他复合金属盐。

研究利用煤矸石制备吸附剂在环保领域一直是热点。早在1995年，山东矿业学院济南分院的张兆春等[5]通过煤矸石和活性炭在同等条件下吸附富营养化水体中的总磷，得到了满意的结果，且该吸附实验符合Freundlich吸附式等温式，表明了利用煤矸石研制吸附剂的可能性。孙鸿等[6]利用煤矸石为原料，制备出两种不同类型的活性炭-沸石吸附材料，该复合材料具有中孔、微孔双重孔结构特性，对金属三价铬和有机酚的去除率达到64.7%-100%，具有很高的应用价值。杜宏[7]利用煤矸石制备出具有介孔结构的固体吸附剂，用于低浓度CO2的吸收，其中二乙醇胺（EDA）改性的煤矸石在25℃，对8%的CO2的吸附量为83.5mg/g，二氧化碳捕集效率高达58%。具有良好的应用前景。

3.赤泥基吸附剂

赤泥是氧化铝工业产生大量的高碱性工业固体废弃物，因呈酒红色而得名。按生产方法分为拜耳法赤泥、烧结法赤泥和联合法赤泥。钱翌，周绍杰等[8]利用赤泥，采用焙烧还原重构的方法制备出了具有层状金属氢氧化物（LDH）和层状金属氧化物(LDO)的两种吸附剂产品，通过对比试验对活性黄染料(KE-4R)、活性艳蓝染料(RBB)的吸附效果进行了验证，最高去除率达到97.2%，具有良好的脱色效果。任绍娟，王艳秋等[9]提出了一种新的造粒赤泥吸附剂（GRM）的制备方法，并研究出其对低浓度下二价镉较强的吸附性能，取得了较高的吸附效果。

4.钢渣基吸附剂

钢渣是炼钢过程排出的熔渣，主要是金属炉料中各元素被氧化后生成的氧化物、被侵蚀的炉衬料和补炉材料、金属炉料带入的杂质和为调整钢渣性质而特意加入的造渣材料。如：石灰石、白云石、铁矿石、硅石等，钢渣富含大量铝、铁、硅元素，具有很高的利用价值。2010年我国钢渣产生量0.8亿吨。钢渣比表面积大，同时具有一定的活性基团，应用在有机物及金属离子的吸附上有一定的优势。

钢渣最早的研究是20世纪80年代，利用钢渣除磷[10]，具有明显的去除效果。此后学者们对钢渣制备吸附剂领域有了新的探索。云玉攀、李军等[11]拟选取钢渣作为吸附剂,通过正交试验确定了温度、吸附时间、溶液pH值和钢渣投加量条件下对吸附最佳条件的影响。确定了最佳的吸附时间，另外还研究了钢渣对相同浓度Cu2+、Pb2+的竞争吸附作用，研究发现，随着离子浓度的增加Cu2+的竞争吸附系数始终大于Pb2+的竞争吸附系数，表明钢渣对Cu2+的吸附能力大于Pb2+。?杨丽石、应杰等[12]以钢渣为原料，以丙酮溶液为分散剂制备FeCl3改性材料，在固定床吸附评价装置上考察了钢渣在FeCl3改性前后对模拟烟气中Hg脱除效果的影响，结果表明：氯是FeCl3改性钢渣吸附剂的主要活性组分，FeCl3的掺入提高了钢渣的表面积，并探讨了HCL、SO2吸附机理。谢复青、李建章等[13]以钢渣为吸附剂，处理活性翠蓝染料废水，结果表明，吸附剂有较好的吸附能力、脱色率可达96.74%、吸附量可达到42.4mg.g-1。

5.其他工业固体废弃物制备吸附剂

贾里等[14]以核桃壳为原料制备的生物焦对锅炉废水进行吸附汞研究，并采用动力学模型、Langmuir和Freundlich吸附等温线模型研究其吸附反应机理。程琼等[15]采用氨水改性AC（玉米秸秆活性炭），并对改性AC的表面特性及吸附胶粘剂废水的吸附效果进行了探讨。改性AC对胶粘剂废水表现出很强的吸附能力，其最大吸附容量可达44.58mg/g。

6.结论与展望

大宗工业固体废弃物亟待各行业开发出具备高附加值的产品，并实现工业固体废弃物的循环利用。目前需要解决的问题还有很多：（1）目前，国内利用工业固体废弃物制备吸附剂的实验效果比较突出，但对吸附机理的研究尚浅，研究结论的理论支撑性不强，还需要加强理论基础研究。（2）国内利用工业固体废弃物制备吸附剂，目前在废水领域的研究比较广泛且有一定的理论，实践成功，而在废气方面的探索较少，工业固体废弃物大部分具有较大的比表面积且具有天然的酸碱度，未来探索此类吸附剂用于废气治理具有一定的价值。（3）工业固体废弃物作为吸附剂的应用，大多是通过改性后才应用的，且大多数改性材料一般价值不低，探索出低廉的、实用的改性剂，将是新的趋势。

参考文献:

[1]毛志红,李卓卡索,李晓雁.粉煤灰吸附苯胺类有机废水的实验研究［J］．甘肃科技，2011,27(22):49-50，22．

[2]范思思,万洪善,张浩.改性粉煤灰处理含铜废水的研究[J].电镀与环保,2018,38(02):62-64.

[3]袁宏涛,刘羽,安璐,黄昌壮,张婷婷.改性粉煤灰吸附剂的制备及对石油烃的吸附研究[J].山东化工,2018,47(10):180-183.

[4]刘恒恒.利用改性粉煤灰制备吸附剂用于烟气污染物SO2/NO的协同脱除机制研究[D].内蒙古大学,2018.

[5]张兆春,管清佩,刘振学,刘兴沛.活性矸吸附剂处理含磷废水的研究[J].山东煤炭科技,1995(01):51-53.

[6]孙鸿,张稳婵,王红霞,崔杏雨.煤矸石制备沸石-活性炭复合材料的吸附性能研究[J].应用化工,2008(06):636-638.

[7]杜宏.煤矸石基介孔硅材料的制备、改性及吸附二氧化碳性能的研究[D].内蒙古工业大学,2018.

[8]钱翌,周绍杰.赤泥基层状金属氧化物对2种常见染料的吸附[J].环境工程学报,2017,11(03):1402-1408.

[9]任绍娟,王艳秋.利用造粒赤泥吸附水中Cd~(2+)的研究[J].环境工程,2008,卷缺失(2):5,70-73.

[10]HisashiYamadaetal.Afundamentalresearchonphosphatere-movalbyusingslag[J].Wat.Res.,1986,20(5):547～557.

[11]云玉攀,李军,张安,吴岩.钢渣吸附Cu~(2)+、Pb~(2+)的影响因素研究[J].工业用水与废水,2010,41(06):68-72.

[12]杨丽,石应杰,张辰,舒新前,张玉秀.FeCl_3改性钢渣脱除燃煤烟气中Hg~0的研究[J].环境科学研究,2017,30(03):450-456.

[13]谢复青,李建章.钢渣吸附-高温再生处理活性翠蓝染料废水[J].化工技术与开发,2006(09):42-44.

[14]贾里,李犇,乔晓磊,郑仙荣,柳成亮,耿瑞明,樊保国.生物焦对燃煤发电机组废水中汞的吸附特性及机理研究[J].环境工程,2018,36(04):28-33.

[15]程琼,王海芳,卢静.氨水改性玉米秸秆活性炭处理间苯二酚胶粘剂废水的研究[J].中国胶粘剂,2016,25(03):21-24.