粉煤灰的形成與應(yīng)用研究文獻(xiàn)綜述1.1粉煤灰的形成過(guò)程粉煤灰主要是燃煤產(chǎn)生的一種固體廢渣，是煤在高溫燃燒后未燃燒部分在快速冷卻下由于表面張力的作用形成的一種玻璃狀顆粒物質(zhì)。煤中的無(wú)機(jī)礦物有兩種存在形式，一是被煤中的有機(jī)物包裹，二是外來(lái)礦物和煤炭結(jié)合融為一體。由煤炭燃燒所產(chǎn)生的粉煤灰的形成原理如圖1-1所示。煤燃燒時(shí)物質(zhì)轉(zhuǎn)化機(jī)制首先是煤在加熱的環(huán)境下轉(zhuǎn)化為焦炭，焦炭在更高的溫度下分解、氧化為無(wú)機(jī)氧化物；隨著溫度進(jìn)一步升高，礦物分解、熔解，一部分轉(zhuǎn)化為氣體，一部分碎裂成更小的顆粒，隨著燃燒的不斷進(jìn)行，各種物質(zhì)均勻縮合形成粒徑在0.02–0.2μm之間的灰分顆粒，所含礦物物質(zhì)碎裂形成粒徑在0.2–10μm之間的顆粒，有些礦物物質(zhì)經(jīng)歷一系列復(fù)雜的轉(zhuǎn)變，形成了尺寸范圍為10–90μm的顆粒[13-14]，也可將粉煤灰的形成劃分為三個(gè)階段，分別為：煤粉變?yōu)槎嗫捉沽?、多孔焦粒轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗫撞Ａw、多孔玻璃體轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗫撞Ａе?。圖1-1粉煤灰形成過(guò)程圖[13]Fig.1-1Formationprocessofflyash1.2粉煤灰的化學(xué)組成及其性質(zhì)粉煤灰的組成非常復(fù)雜，主要為無(wú)定形相和晶相兩種，晶體礦物主要有莫來(lái)石、石英、磁鐵礦、生石灰等，無(wú)定形相主要有無(wú)定形的碳以及無(wú)定形的玻璃體等。粉煤灰的d化學(xué)成分主要有：SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、K2O、Na2O、CaO、FeS和一些有機(jī)物等，有些還含有Ge、Cr、Hg、Cd、V、As、Pb、P、Mn、B等元素，其中SiO2和Al2O3含量一般大于60%[15]。粉煤額灰化學(xué)組成隨著地域差異也會(huì)有所不同，同一區(qū)域的粉煤灰也可能由于生產(chǎn)方式的不同，也會(huì)有較大差異。表1-1[16]列舉了幾個(gè)地區(qū)粉煤灰的化學(xué)組成。其中金屬氧化物含量順序大體都為：Al2O3>Fe2O3>CaO>MgO>Na2O>K2O>TiO2>MnO。

表1-1不同地區(qū)粉煤灰的化學(xué)組成[16]Table1-1Chemicalcompositionofflyashindifferentregions成分含量（wt.%）中國(guó)歐洲美國(guó)印度澳大利亞SiO235.6-57.228.5-59.737.8-58.550.2-59.748.8-66.0Al2O318.8-55.012.5-35.619.1-28.614.0-32.417.0-27.8Fe2O32.3-19.32.6-21.26.8-25.52.7-14.41.1-13.9CaO1.1-7.00.5-28.91.4-22.40.6-2.62.9-5.3MgO0.7-4.80.6-3.80.7-4.80.1-2.10.3-2.0Na2O0.6-1.30.1-1.90.3-1.80.5-1.20.2-1.3K2O0.8-0.90.4-40.9-2.60.8-P2O51.1-1.50.1-1.70.1-0.30.1-0.60.2-3.9TiO20.2-0.70.5-2.61.1-1.61.0-2.71.3-3.7MnO—0.03-0.2—0.5-1.4—SO31.0-2.90.1-12.70.1-2.1—0.1-0.6LOI—0.8-32.80.2-11.00.5-5.0—粉煤灰組成多樣，根據(jù)組成可被劃分為C類(lèi)粉煤灰（SiO2、Al2O3和Fe2O3含量50%–70%，CaO含量>20wt%）和F類(lèi)粉煤灰（SiO2、Al2O3和Fe2O3含量>70wt%，CaO含量<10%[17]，一般C類(lèi)粉煤灰是由褐煤和次煙煤燃燒所得，F(xiàn)類(lèi)粉煤灰是由無(wú)煙煤和煙煤燃燒所得，表1-2為不同種類(lèi)煤炭產(chǎn)生的粉煤灰的化學(xué)組成[18]。粉煤灰中含有大量的硅鋁源，但是還含有少部分其他物質(zhì)會(huì)對(duì)分子篩的合成產(chǎn)生影響，離子雜質(zhì)如Fe2+、Fe3+、Ca2+和Mg2+，有機(jī)雜質(zhì)如未燃燒的碳，這些物質(zhì)在分子篩前驅(qū)體溶液中對(duì)分子篩晶體結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程有負(fù)面影響，導(dǎo)致競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)的發(fā)生[19]，如何有效的除去其他雜質(zhì)就成為必須考慮的問(wèn)題。

表1-2不同種類(lèi)煤炭產(chǎn)生的粉煤灰的化學(xué)組成[18]Table1-2Chemicalcompositionofflyashfromdifferenttypesofcoal組成（wt%）煤種煙煤次煙煤褐煤SiO220–6040–6015–45Al2O35–3520–3010–25Fe2O310–404–104–15CaO1–125–3015–40MgO0–51–63–10Na2O0–40–20–6K2O0–30–40–4SO30–40–20–10LOI0–150–30–5物理性質(zhì)：粉煤灰的顏色一般為灰色或黑色，顏色的不同主要是由于粉煤灰中元素含量的不同，粉煤灰一般呈不規(guī)則狀或球狀，主要由燃燒過(guò)程決定，其顆粒大小一般在0.5–300μm，密度約為1.9-3g/cm3[20]?；瘜W(xué)性質(zhì)：粉煤灰是一種組成非常復(fù)雜的火山灰質(zhì)，主要成分是粘土礦，此外含有石英、莫來(lái)石、方解石等[21]。1.3粉煤灰的危害粉煤灰對(duì)環(huán)境和人類(lèi)的影響已經(jīng)得到了很多研究，在很多國(guó)家，粉煤灰被定義為危險(xiǎn)廢物，由于我國(guó)煤炭的用量巨大，但是粉煤灰的消耗量卻不足70%，導(dǎo)致有大量粉煤灰沒(méi)有得到利用，最后這些粉煤灰的處理方法大部分是直接傾倒到露天土地上，這將對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類(lèi)健康帶來(lái)很大的影響，主要有以下幾個(gè)方面[22-24]：（1）污染土地及水源由于煤炭中含有大量金屬元素，燃燒后的粉煤灰中的金屬含量有時(shí)甚至比母煤中的含量高出4-10倍，所以粉煤灰被視為向環(huán)境釋放許多環(huán)境敏感元素的潛在來(lái)源，一般的粉煤灰呈堿性，所以粉煤灰的胡亂堆積和處置不當(dāng)將會(huì)破壞土壤的酸堿平衡，導(dǎo)致土壤退化，水道淤積，堵塞自然排水系統(tǒng)，其中含有水溶性的微量元素和V、Cr、Ni、Cd、Pb等金屬污染物也會(huì)對(duì)環(huán)境有潛在的危害，會(huì)對(duì)地表水和地下水進(jìn)行污染。（2）空氣污染由于粉煤灰很多都直接露天堆積，很容易被吹到空氣中，并且還有很多粉煤灰微粒，小到足以逃脫排放控制裝置，也很容易懸浮在空氣中，這已經(jīng)成為很多地方空氣污染的主要來(lái)源。（3）占用土地資源每一萬(wàn)噸粉煤灰就需要占用約5畝土地，由于我國(guó)粉煤灰的利用率不足70%而我國(guó)現(xiàn)在粉煤灰的堆積量已經(jīng)在30億噸左右，已占用了約150萬(wàn)畝的土地資源，并且根據(jù)預(yù)測(cè)，粉煤灰的堆積量還會(huì)上升，還會(huì)繼續(xù)占有土地資源。（4）危害人體健康粉煤灰中的有害物質(zhì)浸出，會(huì)對(duì)空氣、地面和地下水、土壤和作物生產(chǎn)構(gòu)成威脅，不可避免的會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成污染，而人類(lèi)生存活動(dòng)是離不開(kāi)生態(tài)環(huán)境的，如果反復(fù)接觸粉煤灰會(huì)引起眼睛、皮膚、鼻子、咽喉和呼吸道的刺激，甚至?xí)?dǎo)致重金屬元素中毒，粉煤灰還可能會(huì)含有238U、226Ra、232Th和40K等放射性元素，當(dāng)這些含有放射性元素的粉煤灰被用于建筑材料等用途時(shí)，可能會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生輻射。因此如何合理并且有效的處理粉煤灰成為了一個(gè)不得不去考慮、研究的問(wèn)題。1.4粉煤灰的現(xiàn)狀及綜合應(yīng)用由于我國(guó)的資源分布呈現(xiàn)出富煤、貧油、少氣的格局，據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)在2012年的煤炭用量占到世界總量的50%[16]，如圖1-2所示，其展示了我國(guó)2013年至2018年1–6月粉煤灰產(chǎn)量及消耗量，可以看出我國(guó)粉煤灰的產(chǎn)量非常巨大，大部分的粉煤灰直接堆積沒(méi)有得到利用，這也導(dǎo)致粉煤灰成為了我國(guó)最大的單一固體污染源，并且預(yù)計(jì)我國(guó)粉煤灰的產(chǎn)量將會(huì)不斷上升，消耗量會(huì)逐步上升，利用率也會(huì)逐步增加，但是仍然會(huì)有很大一部分的粉煤灰被堆積無(wú)法利用[25]。粉煤灰大量排放及堆積帶來(lái)的危害已被人們重視，各國(guó)都開(kāi)始研究如何實(shí)現(xiàn)粉煤灰的資源化以減少粉煤灰的危害，國(guó)外對(duì)粉煤灰的研究較早，而我國(guó)則相對(duì)較晚，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)世界粉煤灰的利用水平僅在16%[18,26]，我國(guó)的利用率僅在30%–40%，綜合利用還有局限性[27]。圖1-2為我國(guó)2013年至2018年1-6月粉煤灰產(chǎn)量及消耗量情況Fig.1-2TheoutputandconsumptionofCFAinChinafromJanuarytoJune,2013to2018由于粉煤灰的種種危害，所以防止粉煤灰堆積，合理并且高效的利用粉煤灰，成為了現(xiàn)在研究的熱點(diǎn)。現(xiàn)在對(duì)粉煤灰的利用主要有以下幾個(gè)方面：（1）粉煤灰含有P、S、K、Ca、Mg、Cu、Mn、Zn等有益營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，有利于植物生長(zhǎng)，而且一般粉煤灰呈堿性，可以中和酸性土壤，可以用于土壤改良[28]；（2）粉煤灰所含大量SiO2，所以可以用于混凝土參合料，水泥制品，空心磚，墻體材料等，被廣泛應(yīng)用于建筑業(yè)[16]；（3）粉煤灰中含有大量的SiO2、Al2O3、CaO和Fe2O3等氧化物，這些氧化物通常被認(rèn)為是一種低成本的陶瓷工業(yè)材料，所以被廣泛應(yīng)用于陶瓷工業(yè)[29]；（4）分子篩的合成，因?yàn)榉勖夯液秃芏喾肿雍Y成分類(lèi)似，所以可以用于分子篩的合成[16]；（5）粉煤灰中含有大量金屬元素，并且不乏很多很有價(jià)值的金屬元素，如鎵（Ga）鍺（Ge）、鈦（Ti）和釩（V）等，因此可用于金屬元素的回收[30]。參考文獻(xiàn) [1]/(Retrievedon28April2020).MenadK,FeddagA.JuhnaT.Copper(II)–HumicAcidAdsorptionProcessUsingMicroporous-ZeoliteNa-X[J].JournalofInorganicandOrganometallicPolymersandMaterials,2019,29:1-16.YangT,HanCY,LiuH,etal.SynthesisofNa-Xzeolitefromlowaluminumcoalflyash:CharacterizationandhighefficientAs(V)removal[J].AdvancedPowderTechnology,2019,30(1):199-206.CampoMC,BaptistaMC,RibeiroAM,etal.GasphaseSMBforpropane/propyleneseparationusingenhanced13Xzeolitebeads[J].Adsorption-journalofTheInternationalAdsorptionSociety,2014,20(1):61-75.CampoMC,RibeiroAM,FerreiraAF,etal.New13Xzeoliteforpropylene/propaneseparationbyvacuumswingadsorption[J].SeparationandPurificationTechnology,2013,103:60-70.BabajideO,MusyokaN,PetrikL,etal.NovelzeoliteNa-Xsynthesizedfromflyashasaheterogeneouscatalystinbiodieselproduction[J].CatalysisToday,2012:190(1):54–60.BallavN,BiswasM.Aconductivecompositeofpolythiophenewith13X-zeolite[J].MaterialsScienceandEngineeringB-advancedFunctionalSolid-stateMaterials,2006,129(1):270-272.WangRZ,XuSZ,ZhuJ,etal.Performancecharacterizationsandthermodynamicanalysisofmagnesiumsulfate-impregnatedzeolite13Xandactivatedaluminacompositesorbentsforthermalenergystorage[J].Energy,2019,167(Jan.15):889-901.AmakoY,NakanoT,KawanoR,etal.Insulatingstateandmetallicphasetransitionofheavilysodium-dopedlow-silicaX(LSX)zeolites(ConferencePaper)[J].Thejournalofphysicsandchemistryofsolids,2012,73(12):1538-1541.TomaszewskaB,KmiecikE,WtorK,etal.Useofnumericalmodellinginthepredictionofmembranescaling.Reactionbetweenantiscalantsandfeedwater[J].Desalination,2018,427:27-34.JhaB,SinghDN.Basicsofzeolites,FlyAshZeolites[M].SpringerSingapore,2016,5–31.HollerH,WrischingU.Zeoliteformationfromflyash[J].FortschritteDermIneralogie,1985,63(1):21-27.TomeczekJ,PalugniokH.Kineticsofmineralmatt