改性粉煤灰對超細(xì)顆粒PM2.5的吸附研究

秦玉珠, 汪 寧, 魏麗丹，孟令麗, 王愛卿，馬宇亮

(黑龍江工業(yè)學(xué)院環(huán)境工程系，黑龍江雞西 158100)

改性粉煤灰對超細(xì)顆粒PM2.5的吸附研究

秦玉珠, 汪 寧, 魏麗丹，孟令麗, 王愛卿，馬宇亮

(黑龍江工業(yè)學(xué)院環(huán)境工程系，黑龍江雞西 158100)

本文以高嶺土和改性粉煤灰為原料，制備了一種多孔莫來石陶瓷基體，把莫來石陶瓷基體作為汽車尾氣過濾器中的吸附載體，研究莫來石陶瓷基體對汽車尾氣超細(xì)顆粒物PM2.5煙塵的吸附特性和去除效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明莫來石陶瓷基體吸附材料對汽車尾氣排放的PM2.5有明顯的吸附性能。

高嶺土；粉煤灰；多孔莫來石陶瓷基體；PM2.5；吸附性

煤是當(dāng)今中國最重要也是儲(chǔ)量最豐富的化石能源，占中國主要能源供應(yīng)的70%以上。煤炭資源中有相當(dāng)一部分用于火力發(fā)電，燃煤火電廠在保障我國社會(huì)、經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的同時(shí)，向大氣排放了大量的細(xì)顆粒物PM10、PM2.5、CO2、SOx、NO以及眾多有害痕量元素，其中PM2.5被吸入人體后會(huì)直接進(jìn)入支氣管，能引發(fā)包括哮喘、支氣管炎和心血管病等方面的疾病，這些顆粒還可成為病毒和細(xì)菌的載體，加速呼吸道傳染病的傳播。

近幾年來，國際上各個(gè)國家都將PM2.5作為大氣環(huán)境污染和控制研究的重點(diǎn)。國內(nèi)外學(xué)者在燃煤鍋爐煙氣排放顆粒物控制方面已開展了一定的研究工作，如利用粉煤灰制備吸附劑和催化劑處理廢氣污染[1-6]，但對于利用改性粉煤灰吸附PM2.5的研究較為罕見。本文擬“以廢治廢”，用雞西市大唐燃煤火電廠排放的粉煤灰為主要材料，對粉煤灰進(jìn)行改性，并在一定條件下與高嶺土焙燒制備莫來石陶瓷基體，研究陶瓷基體對汽車尾氣PM2.5顆粒物的吸附特性和去除效果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料和儀器

1.1.1 實(shí)驗(yàn)原料

本實(shí)驗(yàn)所用的高嶺土取自雞西梨樹礦區(qū)，粉煤灰來源于大唐熱力發(fā)電廠，兩種原料化學(xué)組成見表1所示。

表1 高嶺土和粉煤灰的元素組成

1.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

ALB-224型電子天平，DST-1200型智能馬弗爐，DHG-9101-3型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，TAAM-2001A型原子吸收分光光度計(jì)，BT-9300Z型智能激光粒度分析儀，LD-5C(B)型微電腦激光粉塵儀，車輛尾氣排放模擬裝置，三元催化汽車尾氣過濾器。

1.2 樣品制備

1.2.1 粉煤灰改性

配制20%的鹽酸，按鹽酸與粉煤灰質(zhì)量比2:1比例稱取一定量的粉煤灰，用鹽酸溶液將粉煤灰酸浸，并在加熱套上磁力攪拌3h之后用超純水清洗掉過量的鹽酸，放在電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱干燥60min，放在研缽中研磨，過120目篩子，備用。

1.2.2 吸附載體的制備

稱取一定量的高嶺土，研磨并將其過120目篩子后，按酸浸粉煤灰與高嶺土質(zhì)量比為3:7混合均勻，加入一定量超純水，用模具壓成型，在電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中干燥3天，在自然環(huán)境下繼續(xù)干燥2天，送入馬弗爐中高溫焙燒，將溫度設(shè)為900℃，待焙燒保溫2h后，將焙燒產(chǎn)物用砂紙打磨，超聲波清洗60min后自然干燥，將莫來石陶瓷基體作為吸附載體填充在汽車尾氣過濾器中，備用。

2 結(jié)果與討論

2.1 原料的選擇

改性粉煤灰和高嶺土以一定比例均勻混合后經(jīng)過高溫焙燒生成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的莫來石多孔結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)見圖1所示。得到的莫來石陶瓷基體比表面積增大，并具有良好的吸附性能，所以選擇高嶺土與改性粉煤灰以適當(dāng)比例混合制備莫來石陶瓷基體[7]。

圖1 莫來石的3D化學(xué)結(jié)構(gòu)圖(引用于ICSD數(shù)據(jù)庫)

圖2 室外PM2.5濃度變化曲線

圖3 室內(nèi)PM2.5濃度變化曲線

2.2 室內(nèi)外PM2.5濃度值

在實(shí)驗(yàn)樓室外，用LD-5C(B)型微電腦激光粉塵儀測定12h內(nèi)空氣中濃度變化值見圖2所示。在第一實(shí)驗(yàn)樓室20m2的密閉實(shí)驗(yàn)房間內(nèi)的PM2.5濃度變化值見圖3所示。

從圖2可以看出，一天中早高峰(早上8點(diǎn)前后)和晚高峰(晚上5點(diǎn)左右)大氣中PM2.5顆粒濃度值有上升趨勢，上午10點(diǎn)和下午7點(diǎn)PM2.5濃度值達(dá)到最高。根據(jù)2012年2月29日國務(wù)院批準(zhǔn)發(fā)布的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-2012)標(biāo)準(zhǔn)，PM2.5一級標(biāo)準(zhǔn)限值：年平均為15μg·m-3，24小時(shí)平均為35μg·m-3；其中一級標(biāo)準(zhǔn)適用于自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)和需要特殊保護(hù)的區(qū)域；二級標(biāo)準(zhǔn)限值：年平均為35μg·m-3，24小時(shí)平均為75μg·m-3。其中二級標(biāo)準(zhǔn)適用于居住區(qū)、商業(yè)交通居民混合區(qū)、文化區(qū)、工業(yè)區(qū)和農(nóng)村地區(qū)。由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境在大學(xué)中進(jìn)行，應(yīng)按二級標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，說明雞西地區(qū)PM2.5濃度超標(biāo)。從圖3可以看出，PM2.5顆粒物濃度值維持在110μg·m-3左右，這是由于實(shí)驗(yàn)室為封閉環(huán)境，PM2.5顆粒物濃度值維持平穩(wěn)狀態(tài)。

圖4 室內(nèi)汽車尾氣過濾前后PM2.5濃度值變化曲線

2.3 室內(nèi)汽車尾氣過濾前后PM2.5濃度值

內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車會(huì)在燃燒燃料(本實(shí)驗(yàn)燃料采用柴油)的過程中產(chǎn)生二氧化碳、一氧化碳、碳?xì)浠衔?HC)，顆粒物(PM)，還有氮氧化物以及水。這里面氮氧化物會(huì)形成光化學(xué)煙霧，二氧化碳是溫室氣體，PM主要會(huì)影響人的呼吸系統(tǒng)。PM2.5只是汽車尾氣中的顆粒物中的一部分，是尺寸相對較小的那一部分，一般不可見，更容易被人吸收。PM2.5顆粒的組成是復(fù)雜的、動(dòng)態(tài)的，它的主要成分燃料中硫燃燒后生成的硫酸銨、硝酸銨和未燃燃料有機(jī)顆粒等。各成分在微粒中所占的比例會(huì)不斷變化。車輛尾氣排放試驗(yàn)是在一個(gè)模擬車輛行駛的轉(zhuǎn)股試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行的，由于實(shí)驗(yàn)在一個(gè)密閉的環(huán)境內(nèi)進(jìn)行，車輛尾氣排放試驗(yàn)時(shí)間較長，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)，使得三元催化器無法啟動(dòng)，大量有毒尾氣一氧化碳會(huì)排放至密閉實(shí)驗(yàn)室內(nèi)可能導(dǎo)致檢測人員中毒，固本實(shí)驗(yàn)尾氣排放實(shí)驗(yàn)?zāi)M5min后關(guān)閉實(shí)驗(yàn)裝置測定PM2.5濃度值見圖4所示。在第二天相同的時(shí)間點(diǎn)，將裝有莫來石陶瓷基體的汽車尾氣過濾器安裝在車輛尾氣排放模擬裝置上，尾氣排放實(shí)驗(yàn)?zāi)M5min后關(guān)閉實(shí)驗(yàn)裝置測定PM2.5濃度值見圖4所示。

可以看出經(jīng)過高溫焙燒的高嶺土和改性粉煤灰的混合物制得的莫來石陶瓷基體能有效吸附汽車尾氣排放的PM2.5顆粒物，使PM2.5濃度值降低。隨著時(shí)間增長，PM2.5濃度值減小明顯。

3 結(jié)論

經(jīng)過高溫焙燒的高嶺土和改性粉煤灰制得的莫來石陶瓷基體能有效吸附汽車尾氣排放的PM2.5顆粒物，隨著時(shí)間的累積，PM2.5顆粒濃度下降明顯。我們發(fā)現(xiàn)經(jīng)莫來石陶瓷基體吸附后的PM2.5濃度值與國家排放標(biāo)準(zhǔn)仍有一定的距離，實(shí)驗(yàn)裝置有待于改進(jìn)，實(shí)驗(yàn)條件有待于進(jìn)一步的摸索探究。本實(shí)驗(yàn)主要闡述了粉煤灰在大氣污染物去除方面的應(yīng)用前景，從而為粉煤灰的綜合利用提供一種新途徑。

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On the Adsorption of Ultrafine Particles PM2.5by Modified Fly Ash

QIN Yu-zhu, WANG Ning , WEI Li-dan , MENG Ling-li , WANG Ai-qing , MA Yu-liang

(Department of Environmental Engineering, Heilongjiang Institute of Technology,Jixi Heilongjiang 158100, China)

Kaolin and modified fly ash were used as raw materials to prepare a porous mullite ceramic support in order to study its adsorption characteristics and removal effect for ultrafine particles PM2.5in automobile exhaust. The ceramic support was used as an adsorption carrier in automobile exhaust filters. The result shows that the adsorptive capacity of PM2.5by mullite ceramic support is obvious.

kaolin; fly ash; porous mullite ceramic support; PM2.5; adsorption

2013-10-30

2013年度黑龍江省教育廳高職高專院?？蒲许?xiàng)目(12535178)。

秦玉珠(1988- )，女，安徽阜陽人，黑龍江工業(yè)學(xué)院環(huán)境工程系助教，碩士，從事環(huán)境污染與防治研究。

X513

A

1008-178X(2014)01-0092-03