粉煤灰吸附混凝机理分析

粉煤灰是一种松散的固体集合物，其主要成分为氧化硅、氧化铝及氧化铁，其总量约占粉煤灰的85%左右。从物理结构上看，粉煤灰是一种多孔物质，比表面积大，一般在2700—3500cm2/g［90］。从物相上讲，粉煤灰是晶体矿物和非晶体矿物的混合物，一般晶体矿物为石英、莫来石、赤铁矿、磁铁矿、氧化镁、生石灰及无水石膏等，非晶体矿物为玻璃体、无定型碳和次生褐铁矿，其中玻璃体含量占50%以上。研究证明，粉煤灰对废水的吸附可分为三个连续的过程：第一为颗粒外部扩散过程，吸附质由废水扩散到粉煤灰表面；第二为孔隙扩散过程，吸附质在粉煤灰孔隙中继续向吸附点扩散；第三为吸附混凝反应过程，吸附质通过吸附、混凝、孔道过滤、离子交换及结构调整等过程，被吸附在粉煤灰空隙的内表面上。

7.1.1　粉煤灰的表面吸附混凝机理

粉煤灰对造纸废水的净化能力首先是表面的吸附［43，46，48］混凝作用。矿物表面通常是矿物与大气、矿物与液体甚至是两种固体矿物之间的界面。极性表面具有很强的吸附性，矿物晶体碎裂面和生长面的极性强度一般高于解理面［91］。矿物表面的吸附作用与矿物表面性质密切相关，表面的化学性质取决于化学成分、原子结构和微形貌，化学反应往往发生在表面上几个纳米厚度的范围内［91］。

（1）表面微观形态

决定吸附效果的主要因素之一是吸附剂比表面积的大小，比表面积越大，吸附中心越多，吸附量就越大。如前第二章所述，由于粉煤灰是高温燃烧的产物，具有活性，其形成过程与活性炭的制作过程有相似之处，同样具有较大的比表面积，其比表面积达2700—3500 cm2/g。因此，它与活性炭一样具有比较大的吸附能力，可以吸附污水中的悬浮物和大分子有机物。改性改变了粉煤灰表面的微观形态，粉煤灰的表面变得更加粗糙，并产生了空洞，在增加了粉煤灰的比表面积的同时，还由于部分金属离子的溶出，增大了粉煤灰表面的极性，提高了粉煤灰的吸附能力。电镜照片（见图4.5和图4.6）支持了这一结论。

（2）表面化学成分

粉煤灰主要由SiO2、Al2 O3、Fe2 O3、Al2 O3·2SiO2等组成，经处理的粉煤灰释放出大量Al3＋、Fe3＋离子，这有效地降低了或消除了水中悬浮胶粒的电位，使悬浮胶粒脱稳，有利于悬浮胶粒的去除。

粉煤灰中含有的铁的氧化物及其水解产物氢氧化物与能有效地附着在粉煤灰的颗粒表面形成铁的氧化膜。因为包覆在粉煤灰表面上的铁的氧化物及氢氧化物具有较高的比表面积，并且具有可变电荷性质与较高电荷密度，对带有异性电荷的物质具有一定的吸附能力。

（3）表面吸附架桥

经处理的粉煤灰混合物中含有Al2（SO4）3、AlCl3、Fe2（SO4）3、FeSO4、FeCl3、H2 SiO3等成分，有很好的絮凝作用，特别是硅酸凝胶的存在，能够捕收悬浮颗粒，起到混凝吸附架桥作用。另外，这些物质水解可形成许多复杂的络合物，络合物不断发生缩聚反应，逐渐形成高分子聚合物，随着缩聚反应的不断进行，聚合物的电荷不断升高，更有利于吸附废水中悬浮的胶体杂质。同时，在混凝搅拌过程中，粉煤灰悬浮于不断产生络合物的废水中，由于粉煤灰的吸附性，使许多络合物和高分子聚合物将粉煤灰颗粒包裹在中间，形成一个较大的悬浮体。当搅拌停止时，这些包含有粉煤灰颗粒的悬浮体由于容重较大会迅速沉降，从而提高处理效率。图7.1为表面吸附了一层厚厚的悬浮颗粒及其他杂质的粉煤灰电镜图片。

图7.1　处理完造纸废水的粉煤灰颗粒表面
Fig. 7.1　Surface of fly ash particulate after adsorbed papermaking wastewater

7.1.2　粉煤灰的矿物净化机理

（1）孔道过滤作用

粉煤灰主由有玻璃体和一些晶体构成，玻璃体中主要含有无定性Al2O3和SiO2，晶体主要包括莫来石（3Al2O3·2SiO2）、石英（SiO2）、磁铁矿，并且它们的结构都是以AlO4、SiO4四面体网架结构存在，只不过玻璃体的网架结构长短无序，晶体的网架结构长短有序，这种网架结构形成了良好的孔道，在废水处理中具有良好的过滤作用。粉煤灰中的硅氧四面体和铝氧四面体的平面简图如图7.2、图7.3所示。

图7.2　硅氧四面体的平面结构图
Fig. 7.2　The p lane structure of Silicon and Oxygen tetrahedron