【海川化工科技前沿】煤矸石作为吸附剂的研究进展及展望

煤矸石作为吸附剂的研究进展及展望






摘要：随着“双碳”目标的不断推进，环境污染问题成为关注的焦点。煤矸石作为煤炭开采的副产品，曾一度被认为是废弃物，其堆放所带来的土地占用问题和环境污染问题也日益凸显。合理利用煤矸石不仅可以少占用土地资源，避免水土污染、破坏生态环境，而且为资源循环利用提供了一种可能。基于此，介绍了煤矸石作为吸附剂的研究进展，重点讨论了不同改性方法对煤矸石吸附性能的影响，以及在处理有机废水、重金属污染以及气体污染物方面的应用，展望了煤矸石作为吸附剂的未来研究方向。

关键词：煤矸石；吸附剂；环境治理；改性技术



来源：《山西化工》

作者：樊月，张晔，高丹丹等

用煤矸石制备吸附剂的技术

2.1 表面改性技术

表面改性技术在煤矸石作为吸附剂的研究中发挥了重要作用，能够显著提升其吸附能力和选择性。

表面改性技术主要有化学法、物理法、高温煅烧法、微生物法和微波辐射法。化学法应用酸碱改性，酸性处理可以去除煤矸石表面的无机盐，提高孔隙率，并增加活性位点。可用一定浓度的酸性溶液，如盐酸、硫酸等浸泡煤矸石。碱性处理则能使煤矸石表面产生负电荷，增强其对阳离子的吸附能力。通常使用氢氧化钠对煤矸石进行处理。物理法主要通过机械破碎，更改粒径大小，增大比表面积。高温煅烧法能破坏晶格结构，使长链结构变成短链，提高煤矸石的气孔结构和比表面积。微生物法是利用生物菌种进行改性，能够改变煤矸石的物理、化学性质，提高对特定污染物的选择性吸附。某些特定的微生物在其代谢过程中能产生生物胶，使煤矸石表面变得更具亲水性，从而显著提升其对水溶性污染物的去除效果。微波辐射法利用微波高频电磁波产生热应力，促进矿物的单体解离和晶型转变。

联合使用多种处理方法，可以增强煤矸石的吸附性能。秦华[3]等将100～200目的煤矸石粉剂在560℃下煅烧后，在3mol/LHCl中于90℃条件下进行酸浸析。沉淀烘干后，加入一定量的NaOH溶液，置于368K的烘箱晶化后，得到煤矸石基吸附剂。

.2 复合吸附材料制备

煤矸石因其丰富的硅铝成分及良好的吸附性能，成为复合材料的优质基础。在复合材料的制备中，煤矸石常与其他高性能材料（如活性炭、纳米材料、改性聚酯树脂、聚合物、石墨烯氧化物和生物质材料等）相结合，形成复合吸附剂。相较于单一材料，复合材料能在多个方面提升性能，可进一步挖掘其在环境修复中的应用潜力。如赵丽[4]等将氯化锌和已经被表面改性后的煤矸石进行复合制备，复配后的吸附剂表面变得更加疏松，内部有机成分挥发，孔隙增加、比表面积增大，并含有一定量的ZnO，从而增强了煤矸石的吸附能力。刘思初[5]将固体废物煤矸石与煅烧铝改性粉煤灰相结合，制备出人工吸附剂，即煤矸石与Al-FA联合一体化动态柱，对F-和COD的动态去除率可达95％以上。张艳[6]用煤矸石为原料制备A型沸石，对模拟含氟废水的去除率为94.85％。张鑫[7]等用铁/铝与石英砂、沸石、煤矸石和壳聚糖材料制备吸附剂，制得的载铝煤矸石和载铁沸石两种改性材料除氟率分别达85.1％和83％。

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煤矸石吸附剂的应用领域

煤矸石作为一种低成本的吸附剂，近年来，在土壤修复、气体吸附和污水处理等领域得到了广泛应用。

3.1 在土壤修复方面

煤矸石吸附剂作为土壤改良剂已显示出改善土壤结构和提高土壤肥力的效果，它能使被板结的土壤增大孔隙，有助于固定水分，使得肥料等营养物质充分溶解与水中，增加土壤的阳离子交换能力，促进微量元素更好地被植物根系吸收。此外，煤矸石吸附剂可去除土壤中的重金属元素，有效降低其生物有效性，减少对植物的毒害影响。因此，煤矸石是制备土壤改良剂的良好原料。王琼[8]利用高硫煤矸石为改良材料，改善了苏打盐化土的化学性状，显著降低了土壤的pH值、土壤碱化度（ESP）和水溶性w（Na+）。

3.2 气体吸附方面

煤矸石作为吸附剂可以有效去除工业废气、温室气体，对于二氧化碳、氮气等气体的去除尤为显著。刘肖瑶[9]以煤矸石和CO2SM为原料制备煤矸石基多孔硅材料，该吸附剂对8％CO2的吸附性能由9.02mg/g提高至17.73mg/g。艾贾亚等以煤矸石为原料合成介孔硅酸镁吸附剂，对二氧化碳和氮气具有良好的吸附作用，在中同等条件下，对CO2的吸附量是N2的33倍。吴宇[10]以煤矸石为原料制备多孔硅纳米材料，该吸附剂对N2的吸附量是CO2的1/39。HDu等以煤矸石为原料，制备多孔MCM-41型分子筛吸附剂，该吸附剂对CO2的吸附量为9.61mg/g。

近年来，研究主要集中于优化煤矸石的改性工艺以及探索其在不同废气成分和浓度下的适应性。对于大规模应用，煤矸石作为低成本的吸附剂，其经济性优势显著。未来，研究可集中于提高其去除效率与稳定性方面。

3.3 污水处理方面

煤矸石作为一种新型吸附剂，在污水处理方面前景广阔。在污水处理方面，煤矸石对铅、铜、镉和汞等重金属离子，磷、氮等无机盐离子和苯类、多碳聚合物、染料类等高COD有机污染物的吸附特性备受关注。郭旭颖[11]等利用煤矸石作为吸附剂对废水中的Fe2+和Mn2+进行吸附试验，试验结果表明，NaOH改性煤矸石对Fe2+和Mn2+的吸附效果最佳。周建民[12]以煤矸石为原料制备n（Na2O）/n（SiO2）为2.5、n（H2O）/n（Na2O）为40的NaA型分子筛，并对含有重金属离子Cu2+和有机大分子罗丹明（Rh-B）污水进行处理，对Cu2+和Rh-B的吸附容量分别为167mg/g和9.5mg/g，吸附过程符合拟二阶动力学模型。冯坤[13]等用ZnCl2改性煤矸石所得吸附剂对含有甲基橙、孔雀石绿的废水进行处理，吸附效果良好，去除率分别为98.88％和99.92％，吸附过程符合Freundlich吸附等温线和模型二级动力学模型。刘柏君等用氨基修饰的方法制备煤矸石吸附剂，对含Pb（Ⅱ）水进行吸附，去除率达90％以上。孙超[14]用煤矸石吸附剂去除矿井水中的氨氮和氯离子，氨氮和氯离子的去除率分别为62.47％和49.17％。张凤娥[15]等以热碱改性方法得到改性煤矸石吸附剂，该吸附剂对含有磷酸盐的污水进行处理，磷酸盐去除率高达95％以上。康华[16]等用硫酸镁与煤矸石制备改性煤矸石吸附剂，该吸附剂对含亚甲基蓝的溶液进行吸附处理，去除率为96.59％。许洪飞[17]等对煤矸石进行巯基改性，制备改性煤矸石吸附剂，并对含镉污水进行处理，对镉离子的吸附量约为65mg/g，去除率高达98％。张新[18]通过高温煅烧、酸化处理和冷冻微波制得改性煤矸石吸附剂，对含有对邻氨基苯酚和对羟基苯磺酸的医药工业废水进行处理，吸附过程均复合Langmuir单分子层吸附模型。

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结语

煤矸石作为吸附剂在城市污水处理和工业废水治理中得到了应用广泛，并且去除污染物的效果较好，达到了“以废治废”的目的。未来，应探索组合吸附技术，将煤矸石与其他高效吸附剂相结合，提升其整体性能。也可利用人工智能和机器学习等新技术，优化吸附剂的设计和性能预测。此外，煤矸石的回收与再利用还需关注其生命周期评估，要实现可持续利用。

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(出处: 海川化工论坛)

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