1 绪论
1.1 研究背景
1.1.1 粉煤灰的利用现状及危害
粉煤灰是电厂发电燃烧煤炭后的产物，我国当前排量较大的固体废弃物之一[1]。 最近三年内，我国粉煤灰的年产量已经达到 6.86 亿吨左右，根据相关部门预测，2021年中国粉煤灰的产量将达到 7.81 亿 t，2024 年将达到惊人的 9.25 亿 t[2]。而在我国中西部地区，如内蒙古、山西等地，煤炭产量和使用量非常高，同时煤的燃烧产物粉煤灰的储存量也越来越大，但受经济发展条件和运输成本等条件的限制，其利用率不超过 15%[3, 4]。
如此多的粉煤灰得不到妥善处理，在多风的季节，随风而起形成污染大气的扬尘；落到或者排放到水体中，污染水资源甚至堵塞河道，而且有些地方的粉煤灰含有微量有毒化学物质，可能通过各种渠道对人体造成危害[5]。
1.1.2 重金属离子的危害
水是生命之源，水资源短缺同样是世界级的问题，近几年淡水资源减少将近 20%，将近 80%的土地灌溉面临很大的缺水压力[6]。而且过去几十年里，我国工业和电子信息产业飞速发展，工业废水的超量排放，以及电子垃圾的随意丢弃造成的水体重金属污染越发严重。如何将水中的重金属离子移除一直是环境工程领域研究的前沿问题之一[7]。
重金属污染对人体的伤害包括直接伤害和间接伤害。直接危害的主要途径是饮用污染水。水中的重金属会抑制人体内的酶，引起细胞质中毒，损伤人体神经，严重损害人体排毒器官，引起急性中毒[8]。
由于重金属离子污染具有持续时间久，污染治理技术能耗高、技术要求高、成本高、过程复杂等问题与不足。
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1.2 文献综述
1.2.1 粉煤灰发泡材料的研究现状
粉煤灰发泡材料由于它自身轻质多孔的性质，多被利用到保温隔热材料方面，如建筑物外墙的保温层。许泽胜等人[9]以粉煤灰为基体制备的轻质发泡保温材料。孔径达到1～2 mm 以下，导热系数小于 0.09 W/（m·K）。Junjie Feng 等人[32]以粉煤灰和钠水玻璃制备出多孔粉煤灰基绝热材料。导热系数为 0.0744W/(m·K)。崔勇等[10]以粉煤灰为主要原料之一，利用化学发泡法制备的高表观密度的保温材料。导热系数低至为 0.058 W/(m·K)。刘瑞平等[11]以粉煤灰为主要原料制备的发泡地质聚合物体积密度只有 0.985g /cm3，抗压强度为 8.9 MPa，导热系数低至为 0.10 W/(m·K)，具有很好的隔热保温效果。易龙生等[12]以活垃圾焚烧飞灰和粉煤灰作为原料制备的发泡保温材料，导热系数为0.091 W/(m·K)。
粉煤灰发泡材料的多孔结构还被应用到隔音材料方面，声音被它强大的孔隙结构多次折射吸收，从而达到吸声隔音的效果。王建辉等[13]利用粉煤灰制备的多孔降噪声屏蔽材料，孔隙较大，吸收 1000Hz 以内的低频性能非常显著。牛季收等[14]利用粉煤灰制备多孔隔声材料，吸声系数达到 0.2-0.7。对 125-315 Hz 和 800 Hz 以上效果显著。吴丽曼等[15]使用粉煤灰为基本材料，利用化学发泡法制备的多孔隔音材料的吸声系数达到0.347，吸音隔声效果非常显著。
粉煤灰发泡材料还应用到污水处理方面，吸附重金属离子。但是利用块状发泡材料为研究对象的比较少。席磊等[16]利用粉煤灰并改性制备发泡陶瓷来吸附 Cr6+，他们模拟60mg/L 的 Cr6+废水，对 Cr6+的饱和吸附量为 0.745 mg/g。
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2 实验部分
2.1 实验原料
2.1.1 粉煤灰制备多孔材料
（1）粉煤灰粉
粉煤灰本实验所用的主要材料，来自山西朔州神头二电厂，是煤燃烧后的工业废渣。其表面呈球形，具有比表面积大、吸附性强等优点。通常情况下粉煤灰呈灰色或灰黑色，含碳量越高其颜色越深。X 射线荧光光谱仪（XRF）测定原粉煤灰中化学成分，其中主要成分为 SiO2、Al2O3，含有少量的 Fe2O3 与 CaO 等，其分析结果如表 2-1 所示：
表 2-1 粉煤灰的化学成分/%
所用仪器为 M-300 小型试磨机，原料在 105℃下烘干至恒重，在球磨机中研磨 30min后过筛。研磨处理后的粉煤灰比表面积为 465.3m2/Kg。
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2.2 试验器材
实验所用仪器 2-5 所示：
表 2-5 试验仪器
3 粉煤灰基高通孔材料的性能研究 ................................ 22
3.1 引言 ............................. 22
3.2 体积密度分析 ........................... 22
3.3 显气孔率分析 .............................. 23
4 粉煤灰基高通孔材料的沸石化研究 .............................. 29
4.1 引言 ....................................... 29
4.2 水热反应时间 .................................... 29
5 粉煤灰基高通孔类沸石材料的吸附研究 .......................... 54
5.1 引言 ....................................... 54
5.2 吸附条件对吸附的影响 .............................................. 54
5 粉煤灰基高通孔类沸石材料的吸附研究
5.1 引言
重金属污染的危害众所周知，尤其是对水体的污染，间接影响到土壤、地下水、蔬菜、植物和水中鱼类等，这就严重危及到人类的正常生活。所以及时有效地处理重金属污染水体的问题已经迫在眉睫。重金属的治理有非常多的方法比如化学沉降接着再富集、离子交换溶剂提取、超滤、反渗透、电渗析、蒸发回收以及吸附法。而吸附法是众多的方法中是一种被广泛采用的有效去除重金属的方法。
本文以价格较为低廉的固废材料粉煤灰，通过前文所述的方法制备出高比表面积的粉煤灰基高通孔类沸石材料，利用这种材料的高孔隙率以及高比表面积的类沸石结构对重金属离子 Cu2+、Pb2+和 Cr3+的吸附效果进行研究。同时研究了吸附温度、吸附时间、初始 PH、吸附材料投加量、Cu2+、Pb2+和 Cr3+初始浓度对粉煤灰基高通孔类沸石材料吸附 Cu2+、Pb2+和 Cr3+的影响，并进一步研究了其吸附热力学和吸附动力学。
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6 全文总结与研究展望
6.1 总结
本研究从三方面展开研究，第一部分为粉煤灰基高通孔材料的制备，第二部分为粉煤灰基高通孔材料的沸石化，第三部分是利用粉煤灰基高通孔类沸石材料吸附重金属离子。实验结果表明本研究制备的粉煤灰基高通孔类沸石材料对重金属离子的吸附效果显著，并得出以下结论：
（1）选择石蜡粉末的掺量为 14%，且将石蜡粉末烧失后，粉煤灰基高通孔材料的比表面积达到 11.61m2/g；表观密度为 0.214g/cm3；显气孔率为 82.5%，抗压强度为0.372MPa。粉煤灰基高通孔材料内部孔隙结构相互贯通。
（2）通过使用传统的水热合成法对粉煤灰基高通孔材料进行沸石化处理，选取的水热合成条件为：温度为 100℃，时间为 15h，碱浓度为 1.5mol/L。此时，合成的粉煤灰基高通孔类沸石材料的比表面积达到 26.33m2/g，孔容达到 0.1102cm3/g，平均孔径在16.75nm，属于介孔材料。Cu2+的饱和吸附量为 29.16mg/g；Pb2+饱和吸附量为 37.30mg/g；Cr3+饱和吸附量为 42.96mg/g；对 Cr3+的吸附效果较为明显。
（3）粉煤灰基高通孔类沸石材料对三种单一重金属离子的吸附量随吸附时间的增长而不断增大。铬离子在 120min 时基本达到吸附平衡，而铜离子和铅离子在 360 分钟才能达到平衡。平衡后铜离子的吸附量为 17.012mg/g，铅离子的吸附量为 15.716mg/g,铬离子的吸附量为 17.006mg/g。吸附率都达到 99%以上。
（4）当粉煤灰基高通孔类沸石材料对三种离子的混合溶液进行吸附时，各重金属离子之间出现相互促进作用，而且这种协同作用大大提高吸附效率。吸附 60 分钟时，铜离子浓度吸附率达到 97.73%；铬离子吸附率达到 95.73%；铅离子吸附率达到 99.08%。铜离子的吸附量为 16.46mg/g；铅离子的吸附量为 16.68mg/g，铬离子的吸附量为16.16mg/g。故将混合溶液的吸附时间定为 60min。
参考文献（略）