高美玲,譚鵬程,金石,萬祥龍
(安徽理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院資源循環(huán)系,安徽淮南232001)
粉煤灰作為一種成分復(fù)雜的大宗固體廢棄物,其綜合利用一直是重要的研究內(nèi)容。目前粉煤灰多被作為一種填充材料用于混凝土材料中[1],還有一些提取其中的有效化學(xué)成分研究,如粉煤灰精細化制備氧化鋁和白炭黑[2],或利用其成分制備地聚物[3]、分子篩[4]和微晶玻璃[5]等,利用其含有的硅鋁酸鹽與其他材料制備功能陶?;驘o機陶瓷材料等[6]。粉煤灰的多孔吸附性可以被用來吸附廢水中的有機物[7]和重金屬[8]等。總之,粉煤灰是一種價格較便宜、應(yīng)用較為廣泛的固體廢棄物,但在一些低附加值的應(yīng)用中,貯運環(huán)節(jié)會占據(jù)較大成本,影響了其作為材料應(yīng)用的發(fā)展。而對粉煤灰顆粒進行表面改性,再負載一些功能助劑,可得到一種新型的功能材料。該方法可以大大提高粉煤灰利用時的附加值,能極大調(diào)動企業(yè)對粉煤灰深度利用的積極性,促進粉煤灰的深度資源化。
通過對粉煤進行改性的方法,可以得到更大比表面積的產(chǎn)品,能夠更好地發(fā)揮吸附性能。利用物理改性方法,如機械研磨[9]、微波處理[10]、超聲波[11]和高溫處理[12]等,可以破壞粉煤灰玻璃體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),增大比表面積,還可以通過鍍膜[13]的方法改變粉煤灰顆粒的電磁性能;利用化學(xué)改性的方法,如火法改性[14]、水熱改性[15]、酸改性[16]、堿改性[17]、礦物鹽改性[18]、氧化鈣[19]處理等,也可以破壞硅酸鹽網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),促進玻璃體表面溶解,提高比表面積和離子交換能力等。
化學(xué)改性的方法還包括使用表面活性劑的改性,如陽離子表面活性劑[20,21]處理、偶聯(lián)劑處理[22]和硬脂酸[23]處理等,陽離子表面活性劑可以改變粉煤灰顆粒表面電性,提高其表面的吸附能力,主要用于各類廢水處理過程中;硬脂酸可以達到疏水改性的目的,使得粉煤灰在聚合物(如PVC,PP)中作為填充料[24];偶聯(lián)劑改性處理方法可以提高無機顏料的分散性和玻璃、金屬表面粘接力等,這些方法在處理粉煤灰時均具有不錯的效果,已經(jīng)在各類應(yīng)用中表現(xiàn)出良好的效果。
對粉煤灰顆粒的表面設(shè)計改性方法很多,一般都是通過界面上的基團設(shè)計,然后負載相應(yīng)的功能團得到粉煤灰基功能材料。
疏水性薄膜有很多應(yīng)用的場合,如建筑外墻、包裝材料、防霉的場所等。如對煤粉灰的表面進行陽離子分散松香膠疏水改性,制備具有疏水性的纖維材料[25]。采用硬脂酸對粉煤灰進行改性,再利用有機/無機復(fù)合材料中的顏體體積濃度與臨界顏料體積濃度之間的關(guān)系,調(diào)整薄膜疏水性能[26]??傊?,利用粉煤灰制備的疏水薄膜材料成本低廉,可以用于包裝材料和防霉要求較高的場合,具有較好的實用性。
粉煤灰基調(diào)濕材料是對粉煤灰進行親水性改性后,復(fù)配親水性聚合物和鹽可得到復(fù)合調(diào)濕材料[27],可以制備成粉末,也可以制備成涂料,廣泛應(yīng)用于不同的場合,具有無源、智能調(diào)濕、成本低廉和節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點[28]。粉煤灰與PVA復(fù)合膜進行不同濕度下的吸濕性測試情況,其相同體積的薄膜調(diào)濕與水分子在其內(nèi)部的溶脹擴散相關(guān),在不同的濕度下表現(xiàn)出具有較大的吸濕量,表現(xiàn)出良好的調(diào)濕能力。此復(fù)合調(diào)濕材料若用于內(nèi)墻涂料中,能自動調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣中的濕度,表現(xiàn)出優(yōu)異的吸放濕功能[29]。而且此過程無需電源控制,節(jié)能環(huán)保,可根據(jù)所處的環(huán)境進行智能調(diào)濕。此類調(diào)濕材料成本較低,適合應(yīng)用于家庭居室、圖書館等需要進行濕度控制的場合[30]。
室內(nèi)或車內(nèi)甲醛問題是影響到人們健康的大問題,當(dāng)前的處理甲醛方法很多,但大多數(shù)處理方法存在著各種各樣的局限性,達不到國家的限量標(biāo)準(最高限量0.08 mg/m3)。如活性炭吸附甲醛極易吸附飽和,在一定條件下還會發(fā)生解吸附;植物消除甲醛效率低下;甲醛捕捉劑的噴灑只能應(yīng)用于短期,且容易造成居室環(huán)境的污染;光催化材料要求環(huán)境中有特殊的光激活才能持續(xù)作用;氧化型消除甲醛所用的負離子材料易有輻射污染,等等。
采用對粉煤灰[31]進行改性后負載甲醛捕捉劑,相當(dāng)于結(jié)合了物理吸附與化學(xué)中和的兩種效應(yīng)。一方面物理吸附過來的甲醛與捕捉劑反應(yīng),不存在解吸附的問題,徹底地消除了甲醛;另一方面甲醛捕捉劑在粉煤灰上的負載,避免了對居室環(huán)境的污染,能24 h持續(xù)地消除甲醛,使用方便,能夠更徹底消除甲醛[32]。
利用甲醛捕捉劑在粉煤灰表面的負載,可以得到性能極佳的環(huán)境凈化材料,具有非常高的附加值。在具有良好經(jīng)濟效益的同時,也具有非常好的社會效益。
以上應(yīng)用是粉煤灰通過表面改性功能化的一部分例子,這類改性方法具有非常強的針對性,容易進行表面設(shè)計,把固廢粉煤灰變成了一種功能材料。總之,只有合理、充分、深度利用粉煤灰,才能真正地讓粉煤灰不再是一種固體廢棄物,而成為一種價格低廉、性能優(yōu)異的工業(yè)原料。
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