Page 306 - 《环境工程技术学报》2022年第5期

· 1662 · 环境工程技术学报 第 12 卷

常为膨润土)、2%～10 % 的煤和 2%～5 % 的水组 的比例将铸造废砂、粉煤灰和电弧炉炉渣 与 8 mol/L
成。铸造砂可被多次回收和利用，但无法再利用而 NaO 和 98 % 的硅酸 钠 (Na SiO ) 混合制备的聚合
H
2 3
丢弃的这部分砂称为铸造废砂 [35] 。铸造粉尘主要是 物砖，抗压强度 为 25.76 MPa。目前国内外对铸造灰
指在生产铸件过程中由砂处理工部产生的通过除尘 渣的精细化利用研究起步较晚，张萌根 [43 ] 报道加工
设备收集到的粉状固体废物。铸造粉尘颗粒细小， 改性后的铸造粉尘可以部分或全部代替炭黑作为天
粒径均 在 100 µ m 以下，表面能较高，具有一定的活 然橡胶的补强剂。Ahme 等 [44 ] 运用铸造废砂合成
d
[4]
性 。铸造废砂和铸造粉尘统称为铸造灰渣。我国 了 Mg/F 层状双羟 基 (LDHs 纳米颗粒，对水溶液
)
e
在 每 1 合格铸件生产过程中，粉尘排放量约 为 50 中刚果红染料的去除效果显著，最大吸附容量为
t
kg，废砂排放量约 为 1.3～1.5 t [27,29] 。铸造废砂和铸 9 127.08 mg/g。
造粉尘的主要化学组成非常相似，都含有 SiO 、
2 3 利用富含硅铝的工业灰渣合成沸石
Al O 、Ca 和 Fe O 等。铸造废砂和铸造粉尘的硅
3
O
2 3 2
铝含量显著高于煤气化灰渣和燃煤灰渣（ 表 1）。 人工沸石分子筛合成通 常 Na SiO 、SiO 作为
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2 3
硅源，Al(OH) 、NaAlO 作为铝源， 以 NaOH、KOH
2
2 富含硅铝的工业灰渣的资源化综合利用 等作为碱源，通过水热合成法合成沸石分子筛。燃
3
现状
煤灰渣、煤气化灰渣和铸造粉尘的主要化学成分均
2.1 火力发电厂燃煤灰渣的综合利用 为 SiO 和 2 Al O ，与天然沸石的前驱体火山灰物质
2
3
粉煤灰中 的 SiO 、Al O 含量较高，烧失量偏低 相似，具有合成沸石的潜力。198 年 Holle 等 [45 ] 报
3
5
r
2 2
且碱金属氧化物相对较少，可以将其作为铝源或硅 道了利用粉煤灰在水热条件下合成人工沸石，这为
源对其进行多种高附加值资源化利用。沸腾炉渣和 利用富含硅铝元素的工业灰渣合成人工沸石提供了
固硫灰渣由于表面多孔、粗糙的结构特性致使火山 借鉴 。
[46]
灰活性较高 [16] ，较适合作为建筑材料。固硫灰渣已 3.1 沸石的结构和特性
被用于制备蒸压加气混凝土 。粉煤灰可用来合成 沸石是一系列具有三维晶体结构的多孔硅铝酸盐
[5]
ZSM- 分子筛 [12] 。Izidor 等 [37 ] 应用粉煤灰合成的 材料的统称，通常被称为分子筛。沸石种类众多但性
o
5
沸石材料 的 CE 比原料 高 4 倍，可以作为一种高 质非常相似，化学通式 为 M [(AlO ) (SiO ) ]·yH O。
C
0
(x/n) 2 p 2 q 2
附加值产品用于离子交换剂。H 等 将粉煤灰通过 其中： M 为碱金属元素； 为价态数； 为每个结构单
]
[9
e
n
x
水热反应合 成 Na-P 沸石，其对氨氮最大吸附容量 位的四面体总数； 为 AlO 分子数； 为 SiO 分子
p
2
2
1
q
为 23.15 mg/g。 数； 为水合数。沸石基本结构单元为硅氧四面体
y
2.2 煤气化灰渣的综合利用 [SiO ] 和铝氧四面 体 [AlO ]，四面体以共角顶的方式
4 4
煤气化灰渣由于其高含碳量，在一定程度上影 联成硅铝氧骨架，这种三维骨架形成许多宽阔的孔
响其资源化利用，如工业灰渣制备混凝土时，要求工 穴和孔道 [47-48] 。定位在空腔的孔穴上填充的水分子
业灰渣的含碳量低 [38] 。为此，如何有效去除残碳或 和阳离子可以补偿电荷差异，从而使沸石分子具有
高效利用残碳引起了研究者的广泛关注。一些研究 较高的阳离子交换能力 [49-50] 。
表明，碳在高温气化过程中被水蒸气 和 CO 等气体 3.2 合成沸石的机理
2
活化，形成具有高比表面积和丰富的多孔结构 [2,39] 。 目前利用富含硅铝的工业灰渣合成沸石分子筛
[7
X 等 以氢氧化钾活化煤气化渣合成多孔活性炭， 的主要方法是水热合成法，其反应机理包 括 3 步。
]
u
3+
其最大比表面积和总孔体积分别为 2 481 m / 和 （1）Si 和 4+ Al 的溶解：
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g
1.711 cm /g， 对 Pb 最大吸附量 为 141 mg/g。Li 等 [40] Al 2 O 3 +NaOH −→ NaAl(OH) 4 （1）
2+
3
u
以煤气化细渣为原料，合成了比表面积 为 500 m /g、 SiO 2 +NaOH −→ Na 2 SiO 3 +H 2 O （2）
2
3
孔容 为 0.54 cm / 的碳硅复合介孔材料。 （2）碱液中硅铝浓缩并形成硅铝凝胶：
g
2.3 铸造灰渣的综合利用 NaOH+NaAl(OH) 4 +Na 2 SiO 3 −→
国内对铸造灰渣的处理方式主要有再生、填埋 Na c (AlO 2 ) p (SiO 2 ) q ·NaOH·H 2 O（凝胶相） （3）
和资源化利 用 3 类。铸造废砂的再生利用率一般为 （3）硅铝凝胶在一定条件下结晶形成分子筛晶体：
20%～30% [41] ，大部分利用主要集中在建筑材料领 Na c (AlO 2 ) p (SiO 2 ) q ·NaOH·H 2 O −→
域 [8,28,42] 。Matos 等 用铸造废砂制备混凝土，其强 Na a (AlO 2 ) p (SiO 2 ) q ·2H 2 O（沸石相）+溶液 （4）
[8
]
a
度最高可 达 20 MPa。Apithanyasa 等 [42 ] 以 40∶30∶30 Carlo 等 [51 ] 认为粉煤灰向沸石的转化效率受非
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