螯合型表面活性剂对垃圾焚烧飞灰改性的研究

摘要：以垃圾焚烧飞灰的高附加值资源化和稳定化为目标，研究了螯合型表面活性剂对垃圾焚烧飞灰改性活化和对重金属的稳定螯合效果。通过活化指数和红外光谱分析，在改性剂用量7.0mL/100g飞灰、改性时间15min和改性温度75℃的条件下，ACSI改性飞灰的活化指数可达95％以上。美国环保局固体废弃物浸出毒性试验表明，螯合型表面活性剂对飞灰中重金属具有较强的束缚能力。
关键词：焚烧飞灰；表面改性；螯合型表面活性剂；活化指数；重金属离子
垃圾焚烧飞灰（以下简称飞灰）中富集了铅、镉、锌等许多重金属、少量的二恶英和呋喃等有机污染物，国内外现有的环境法规已将它归类为危险废物，强调必须予以安全填埋处置。为了节约填埋场土地资源，飞灰资源化是国内外探索研究的热点。原始飞灰颗粒粒径细小，化学和矿物成分与硅灰石等非金属矿有一定的类似，而硅灰石等非金属矿用表面活性剂活化处理后已广泛应用于高分子聚合物填料。常用的表面活性剂几乎没有束缚重金属的能力，而能固化重金属的螯合剂因缺乏疏水基团也无法对飞灰颗粒有效活化改性。因此，选择具有螯合功能的表面活性剂对飞灰颗粒进行活化改性是研究的关键。
本文利用2种螯合型表面活性剂（Anionic Chelating Surfactant，ACS）对飞灰进行了有效活化改性和飞灰中的重金属稳定螯合效果分析，期望飞灰能填充于塑料、橡胶等高分子有机聚合材料，实现飞灰高附加值资源化的目标。
1材料与方法
1.1湿法改性方法
本实验采用湿法表面改性工艺：在2L烧杯中，加入100g飞灰，1000mL蒸馏水（固液比1：10），升温至设定的温度，开动搅拌器，在1000r/min下搅拌10min，加入表面活性剂，保持转速搅拌至设定的时间。固液分离，105℃烘干24h，改性飞灰经研磨筛分过200目后，密封保存。
1.2螯合型表面活性剂的选取
本文采用的螯合型表面活性剂（ACS）是一种新开发的阴离子型表面活性剂。ACS除了具有表面活性剂的特性外，还具有螯合重金属离子的能力。ACS1是基于螯合剂乙二胺四乙酸盐（EDTA）研制开发，其分子结构是EDTA中的一个乙酸基团被月桂酰基所取代。ACS2是基于螯合剂磷酸盐的结构而研制开发的离子型表面活性剂，其分子结构是磷酸盐中的一个羟基被月桂醇基所取代。
1.3活化指数测定
称取5g改性飞灰，置于装有100mL蒸馏水的玻璃杯中，搅拌1min后静置，将沉于底部的试样烘干称重，可得悬浮质量。按下面的公式可以定量计算活化指数。活化指数越高，表示改性飞灰颗粒疏水性越强，改性效果越好。

式中，G为样品的总质量；W为样品中沉于底部的试样重量；H为计算所得的活化指数。
1.4重金属离子的浸出试验
采用美国环保局TCLP方法来测定原始飞灰和改性飞灰中重金属离子的浸出特性。本试验采用0.1mol/LHNO3和0.1mol/LNaOH溶液配制不同的pH值（pH值1～13）浸取液代替原TCLP浸取液，其他程序保持不变。本试验中目标重金属元素设为Pb、Zn和Cd，浸出液中重金属离子浓度由PERKINELMER5100PC型原子吸收分光光度计（AAS）测定。
2结果与讨论
2.1飞灰矿物特性
原始飞灰及水洗飞灰通过XRD进行相分析，原始飞灰中主要矿物组成为氧化硅（SiO2）、石膏（CaSO4）、氯化钾（KCl）、氯化钠（NaCl）和碳酸钙（CaCO3）等（图1）。与原始飞灰对比，飞灰经湿法水洗处理后，飞灰中氯化钾和氯化钠等可溶无机盐将溶出，其矿物组分以氧化硅（SiO2）、碳酸钙（CaCO3）为主。从化学组分和矿物组成特点考虑，湿法处理后飞灰的组成与非金属矿中的硅灰石有一定的类似。

图1原始飞灰和水洗飞灰的XRD图
2.2影响湿法改性效果的因素
2.2.1表面活性剂用量
表面活性剂用量是影响改性效果的主要因素。随着活性剂用量的增加，改性飞灰的活化指数也随之变大，改性的效果也随之愈加明显（图2），其中ACS1改性飞灰用量为7.0mL时，可以取得高达96.49％的活化指数。但随着用量的继续增加，改性效果出现了略有降低的趋势。
ACS1改性飞灰和ACS2改性飞灰分别在用量为7.0mL/100g飞灰和5.0mL/100g飞灰处获得最佳的改性效果。
2.2.2改性时间
改性时间对改性效果的影响较大。由图3可知，2种表面活性剂在时间为15min时，活化指数均高于5min时；随着时间的增长，活化指数有所下降。这可能是由于在机械力的强烈搅拌下，原先吸附在飞灰表面的表面活性剂解吸，导致改性效果下降。ACS1改性飞灰和ACS2改性飞灰同时在改性时间为15min处获得最佳的改性效果。

图2改性剂用量与活化指数的关系