煤矸石作为环境材料在水处理方面的应用及最新研究进展

煤矸石作为全球排放量最大的工业固体废弃物之一，不仅占用大量土地，还会对大气、土壤等环境造成危害。但煤矸石具有一些环境友好型性能，经预处理后可被资源化再利用为环境友好型材料。

 

煤矸石对营养盐、重金属和有机物等污染物具有一定的吸附性能，预处理之后可以作为一种廉价的吸附剂。目前，国内众多研究发现，煤矸石对于部分常规污染物、重金属和有机物均具有一定的去除效果，可作为吸附剂用于水处理中。

1、煤矸石对常规污染物的去除

煤矸石的矿物相组成以石英、蒙脱石、高岭石、伊利石为主，其表面的SiO₂、Al₂O₃等金属氧化物对磷酸盐均有一定的吸附能力。

最新研究进展：

• Ding等以新排出的煤矸石和自燃后的煤矸石为实验原料对磷酸盐溶液进行吸附实验，发现离子交换（磷酸根与氢氧根）在此吸附过程中起主导作用。新排出的煤矸石对磷的最大吸附量可达2.504mg/g；自燃后的煤矸石对磷的最大吸附量可达7.076mg/g。自燃后的煤矸石较新排出的吸附能力更强是由于其表面的SiO₂、Al₂O₃等金属氧化物含量升高，增强了其对磷酸盐的吸附能力。

• 李惠娴等也发现煤矸石中无定形的SiO₂和Al₂O₃对磷酸盐等污染物有一定的吸附能力，而经煅烧过的煤矸石中的高岭石在高温（700~900℃）下发生脱水和分解，生成偏高岭石和无定形的SiO₂和Al₂O₃，因此激发了煤矸石活性，提高煤矸石中无定形的SiO₂和Al₂O₃含量，进而提高煤矸石对一些污染物的吸附能力。

• 刘保元等用500℃煅烧、40%硫酸酸洗后的煤矸石去除生活污水中的COD，发现粒径在100目以下（＜150μm）的煤矸石对COD的去除率可达82.52%，随着粒径增大，去除率有所降低。并将其与活性炭相比较，活性炭的吸附效率和再生能力均高于煤矸石，但煤矸石的生产价格比较低，因此其市场前景还是比较光明的。

• Zhang等通过研究发现，煤矸石对铵盐也有一定的去除效果，最大吸附量可达6.0mg/L。类似于沸石和粉煤灰对铵盐的吸附，在中性或碱性条件吸附量更多，铵根在中性或碱性条件下与氢氧根反应生成氨气得以去除。由于该吸附反应为吸热反应，所以一定程度的温度升高（至45℃）可促进该反应进行。

2、煤矸石对有机物的吸附

研究表明，煤矸石对于有机污染物如苯酚、阳离子染料等具有一定的去除效果。

最新研究进展：

• Jabłońska等通过静态实验发现，煤矸石经清洗干燥后对苯酚有一定的吸附效果，在苯酚初始浓度为100mg/L时，吸附能力可达6.2mg/g，Freundlich吸附模型可以较好地拟合煤矸石对苯酚的吸附等温线。实验结果表明，煤矸石可作为廉价吸附剂用于含有机物工业废水的处理。

• Zhou等将煤矸石粉、没食子酸丙酯和去离子水按照一定比例混合，200℃干燥后制成微珠，之后在900℃下烧结，冷却后形成陶瓷微球。通过表征显示陶瓷中硅与铝发生了同构取代现象，使电负性增强，从而提高其对阳离子的吸附能力。用此煤矸石陶瓷微球吸附阳离子红和阳离子蓝两种染料，发现其对两种染料的吸附速率均较快，动力学符合拟二阶动力学模型和Elovich模型，用Langmuir吸附模型和Freundlich吸附模型可以很好地拟合两种染料在陶瓷吸附剂上的吸附等温线。可能的吸附机制涉及到静电吸引、π-π键和氢键的相互作用等。煤矸石陶瓷吸附剂对阳离子红的最大吸附量可达1.04mg/g，在pH为12.0时去除率可达近100%，对阳离子蓝的最大吸附量可达2.17mg/g，在pH为8.0时去除率也可达99.7%。此项研究表明煤矸石用于处理工业印染废水是可行的，可在此基础上进一步提高吸附容量，增强安全性。

• Wang等将煤矸石用NaOH改性后吸附亚甲基蓝溶液，并与原煤矸石进行比较，发现此吸附过程可以用Langmuir吸附模型进行拟合，说明此过程为单层吸附；拟二阶动力学模型和韦伯-莫里斯经验公式可以较好地描述实验的吸附动力学。

3、煤矸石对重金属的吸附

煤矸石对于重金属如Ni、Pb、Cu、Cr等的吸附效果较为明显。煤矸石孔隙率、比表面积、活性Al₂O₃含量及溶液pH值等因素均对重金属吸附效果有一定影响。

最新研究进展：

• 王利香等将煤矸石与ZnCl₂按比例混合在650℃灼烧1.5h制备了改性煤矸石，以吸附污水中的Cr⁶⁺。据X射线衍射（XRD）图可知，改性增多了材料中的活性Al₂O₃含量并增大了比表面积，最大吸附量（14.06mg/g）较未改性的煤矸石（7.13mg/g）有了很大提高。在Cr溶液初始浓度为50mg/L，pH=1.0，投加量为0.5g/30mL时，改性煤矸石对Cr的去除率可达96.75%，高于未经改性煤矸石的去除率（85.94%）。

• 陈莉荣等将煤矸石、石灰石、AlCl₃按照一定比例混合焙烧来制备复合吸附剂，并用其吸附水中的Cr⁶⁺。煤矸石经高温焙烧后，有机质燃烧，微孔增多，吸附能力可显著提高。另外，煤矸石中一些组分，如Al₂O₃，由晶相变为非晶相，活性增强；掺入一定量的石灰石，其中含有的大量CaCO₃高温分解为CaO，可促进煤矸石的活化，提高吸附能力；AlCl₃具有较好的催化和脱水作用，Al³⁺也可促进絮凝作用。最终选定煤矸石粒径200目，与石灰石以2:3的质量比混合后再加入质量比为10%的AlCl₃，800℃下焙烧90min为最佳吸附剂制备条件，此条件下吸附剂的投加量为10g/L，pH=5.0，Cr溶液初始浓度为100mg/L时，吸附量可达9.19mg/g，去除率可达91.28%。

• Wu等将煤矸石干燥过筛后研究其对Pb、Zn的吸附性能，发现投加量为5g/L时，煤矸石对Pb²⁺的吸附量可达7.57mg/g；对Zn²⁺的吸附量可达2.44mg/g，且吸附等温线均符合Langmuir吸附模型，Pb²⁺的吸附主要是由于化学吸附，Zn²⁺的吸附主要是由于离子交换。

• Shang等用甲基三甲氧基硅烷等材料对煤矸石进行改性制备出巯基改性煤矸石，改性后的煤矸石拥有较大的比表面积和孔隙率，增大的比表面积将提供更多的吸附位点，从而提高其对Pb、Hg等重金属的吸附能力。

• Li等将煤矸石在850℃下分别进行2h掺煤无氧煅烧后，与NaOH和NaAlO₂一起通过水热法在90℃下反应3h，制备出ZAC材料。这种材料比表面积可达669.4m²/g，这些均匀的微孔促进了重金属离子的吸附，对Cu²⁺的吸附效率可达92.8%。

• Mohammadi等将煤矸石在850℃下煅烧4h，之后与藻酸盐、乙醇和水按一定比例混匀反应5h制备出ACCG材料，发现其对Zn²⁺和Mn²⁺的最大吸附量分别可达77.68mg/g和64.29mg/g。

• Jabłonska等将未经处理的煤矸石与经600℃煅烧后的煤矸石做比较，吸附工业废水中的Pb、Ni、Cu，发现在3种金属溶液初始浓度均为5mg/L时，煤矸石对不同金属的吸附效果有所差异，煅烧后煤矸石对Pb的吸附能力增强，可从27mg/g升高至33mg/g；对Cu也从17mg/g升高至22mg/g；但煅烧后对Ni的吸附能力减弱，从25mg/g减少至15mg/g。在废水中重金属离子浓度较高，pH较低时，离子交换占主导作用；在pH较高时，部分金属离子可能通过沉淀而被去除。因此，pH值在煤矸石与重金属吸附过程中是一个极其重要的影响因素。

煤矸石作为水处理吸附剂，对水中的多种污染物都具有吸附去除潜力。然而，目前的研究相对局限，对污染物的去除只限于磷酸盐、苯酚、铅和铬等，可水中的污染物种类更多，包括硝态氮、多环芳烃和药物及个人护理品（PPCPs）等。若可将煤矸石制成综合性的水处理吸附剂，还应加大对其改性方法的研究，使其可以全面去除多种污染物，提高利用价值，真正应用到各种工程实践中。

来源：田怡然,张晓然,刘俊峰,等.煤矸石作为环境材料资源化再利用研究进展[J].科技导报,2020,38(22):104-113.