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煤矸石制備氣凝膠工藝:“一步、兩步”是變廢為寶的步伐,!


來源:中國粉體網(wǎng)   昧光

[導(dǎo)讀]  一文了解煤矸石制備氣凝膠材料

中國粉體網(wǎng)訊 煤矸石是采煤和洗煤過程中排放的固體廢物,,是在成煤過程中與煤層伴生的一種含碳量較低,、比煤堅(jiān)硬的黑灰色巖石。據(jù)統(tǒng)計(jì),,我國目前煤矸石累計(jì)存量達(dá)70億t以上,,還仍以3.0~3.5億t/a的速度增加。煤矸石堆積要占用大量土地,,對環(huán)境的污染也十分嚴(yán)重,,因此合理利用煤矸石迫在眉睫,。

 

煤矸石

 

2019年1月,國家發(fā)改委,、工信部曾聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)大宗固體廢棄物綜合利用產(chǎn)業(yè)集聚發(fā)展的通知》,,鼓勵(lì)煤矸石多元素、多組分梯級利用,,推進(jìn)煤矸石高值化利用,,提取有用礦物元素,重點(diǎn)研發(fā)煤矸石生產(chǎn)農(nóng)業(yè)肥料,、凈水材料,、膠結(jié)充填專用膠凝材料等高附加值產(chǎn)品。

 

目前,,利用煤矸石的方式逐漸多樣化,,但大多數(shù)都附加值比較小,且利用率不高,,如生產(chǎn)水泥,、磚、沸石和肥料等,。為了實(shí)現(xiàn)煤矸石高值化應(yīng)用,,在保溫隔熱、吸附分離,、光電催化,、吸聲隔音、儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域有廣闊前景的氣凝膠材料,,“順理成章”的成了研究目標(biāo),。煤矸石的主要化學(xué)成分為SiO2、Al2O3和Fe2O3等,,其中SiO2和Al2O3兩種化學(xué)成分的占比最高,,很多可達(dá)到60%以上,,是一種寶貴的硅鋁原材料,,用來生產(chǎn)SiO2和Al2O3氣凝膠,經(jīng)濟(jì)價(jià)值巨大,。

 

不同煤矸石的化學(xué)成分

 

1煤矸石制備氣凝膠

 

(1)煤矸石預(yù)處理

 

煤矸石成分復(fù)雜,,在綜合利用之前要經(jīng)過預(yù)處理,否則會(huì)增加企業(yè)經(jīng)營成本,,或?qū)е略闲再|(zhì)多變,,影響產(chǎn)品質(zhì)量。對煤矸石進(jìn)行集中分類處理,,將煤,、煤矸石、巖石和廢土進(jìn)行分離,為企業(yè)提供專業(yè)化,、標(biāo)準(zhǔn)化和穩(wěn)定的原材料,,實(shí)現(xiàn)資源的高水平利用。

 

煤矸石預(yù)處理工藝流程

 

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(2)工藝分類

 

目前,,以煤矸石為原料制備氣凝膠的工藝主要分為兩種:

 

第一種:煤矸石堿溶活化后,一步溶出法制備SiO2-Al2O3復(fù)合氣凝膠,。

 

一步溶出法

 

第二種:煤矸石煅燒活化后,,經(jīng)過酸浸堿溶兩步溶出法提取硅溶液來制備SiO2氣凝膠。

 

兩步溶出法

 

劉維海等以煤矸石作為單一硅源,,通過試驗(yàn)提出了酸堿一步催化法,,來制備超疏水二氧化硅氣凝膠。制備出的疏水SiO2氣凝膠具有高的比表面積和較好的介孔特征,。氣凝膠的表觀密度為0.04g/cm3,,氣凝膠的疏水角高達(dá)144.8°。該技術(shù)為煤矸石的綜合利用提供了一種有效途徑,,有利于促進(jìn)煤炭行業(yè)的綠色發(fā)展,。

 

(3)活化以及硅鋁成分浸出

 

煤矸石中的高嶺石等含硅鋁的礦物成分非常穩(wěn)定,不經(jīng)活化處理難以被直接利用,。目前常見的活化處理方法有:煅燒活化和堿熔活化,。

 

對煤矸石進(jìn)行煅燒處理,采用酸堿兩步溶出法對煤矸石中硅鋁等化學(xué)成分有效溶出,,可以得到酸性的富鋁溶液和堿性的富硅溶液,。若加入NaCO3、K2CO3和NaOH等活化試劑,,經(jīng)過煅燒活化處理之后,,活化試劑與高嶺石等反應(yīng)生成相應(yīng)的霞石類礦物,硅鋁成分能直接被溶出,。

 

(4)溶液除雜

 

煤矸石經(jīng)過煅燒活化或堿熔活化之后浸出,,不僅Si和Al大量溶出,雜質(zhì)離子Fe,、Ca,、Mg、K,、Na和Ti等也在酸浸后大量溶出,,很大程度上影響了后續(xù)凝膠的制備以及氣凝膠的性質(zhì)等。容易去除的雜質(zhì),,通過水洗或溶劑置換等方式可去除,。難以去除的雜質(zhì),,使用離子液體萃取和離子交換樹脂等方式可快速高效地去除,但是價(jià)格比較高昂,。

 

(5)工藝對比

 

近年來,,以煤矸石為源已成功制備出性能良好的SiO2氣凝膠和SiO2-Al2O3氣凝膠。對煤矸石中的硅鋁成分進(jìn)行有效提取之后,,通過溶液凝膠處理,、老化、改性和干燥等手段,,使得凝膠中的液體被空氣取代后得到最終成品氣凝膠,。

 

其中,兩步溶出法制備氣凝膠工藝成熟,,對設(shè)備損耗低,,可滿足工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)的要求,但制備的多為單元SiO2氣凝膠,,且無法在600℃以上穩(wěn)定使用,。一步溶出法制備可以得到SiO2-Al2O3復(fù)合氣凝膠,在更高溫度下使用,,同時(shí)一步法在堿溶煅燒時(shí)也對設(shè)備提出了更高的要求,。

 

2產(chǎn)學(xué)研動(dòng)態(tài)

 

(1)項(xiàng)目動(dòng)態(tài)

 

2022年4月20日,六盤水市人民政府向社會(huì)推薦“鐘山產(chǎn)業(yè)園區(qū)煤矸石制備二氧化硅氣凝膠保溫材料項(xiàng)目”,�,!剁娚絽^(qū)“十四五”規(guī)劃綱要》提出,要培育發(fā)展新興產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢集群,,圍繞煤矸石衍生產(chǎn)業(yè),,加快煤矸石高端產(chǎn)業(yè)化利用。

 

鐘山區(qū)煤矸石呈現(xiàn)高鐵,、高鈦等重要特征,,有條件發(fā)展煤矸石提取硅、鐵,、鈦有價(jià)元素等新材料產(chǎn)業(yè),;適宜要重點(diǎn)推進(jìn)煤矸石造紙、煤矸石生產(chǎn)有機(jī)生物肥料,、煤矸石生產(chǎn)微米級陶瓷空心微珠,、煤矸石煅燒生產(chǎn)高嶺土,、煤矸石制造無機(jī)纖維,、煤矸石制造鋁硅鐵合金、氣凝膠材料等項(xiàng)目建設(shè),。

 

(2)研究進(jìn)展

 

朱平華等以廢棄物煤矸石為原料,,首先采用濕法工藝提取SiO2制備硅酸鈉溶液,,然后結(jié)合"多相復(fù)式非連續(xù)生產(chǎn)工藝"快速制備出疏水性SiO2氣凝膠,研究了不同體積取代率下(0,、60%,、70%、80%,、90%,、100%)水泥砂漿的物理和力學(xué)性能。

 

結(jié)果表明:煤矸石中SiO2產(chǎn)率高達(dá)92.2%,,疏水性SiO2氣凝膠純度可達(dá)98.96%,,孔隙分布均勻,密度約為240kg/m3,;氣凝膠水泥砂漿具有較小的導(dǎo)熱系數(shù)和較好的疏水性,,當(dāng)氣凝膠的取代率為100%時(shí),導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到0.127W/(m·K),。該研究為煤矸石高效高附加值資源化利用指明了一條途徑,。

 

劉博等以兗州煤矸石為原料,經(jīng)過低溫焙燒,,酸浸除雜,,堿熔活化,采用溶膠-凝膠法和真空干燥法制備完整的塊狀SiO-AlO二元復(fù)合氣凝膠,。

 

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,,煤矸石經(jīng)過酸浸除去了大部分的鐵,鉀,,堿土金屬等雜質(zhì),。在經(jīng)過堿熔活化后,煤矸石主要組分石英和高嶺石均轉(zhuǎn)化為非晶態(tài),,反應(yīng)活性提高,。制備得到的SiO-AlO氣凝膠是以Si-O-Si,Si-O-Al網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為骨架的非晶態(tài)納米顆粒聚集體,,其堆積密度0.37 g/cm3,,比表面積483m2/g,平均孔徑10.29nm,,最小孔徑9.32nm,,具有較好的介孔特征。

 

結(jié)語

 

我國煤矸石資源豐富,,各地區(qū)煤矸石的礦物組成和化學(xué)成分等性質(zhì)也各有不同,,必須要在全面了解煤矸石特性的基礎(chǔ)上,通過選礦提純,、超細(xì)粉碎,、表面改性等手段,,有目的性和針對性的進(jìn)行精細(xì)加工,才能真正實(shí)現(xiàn)煤矸石的高附加值綜合利用,,為企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,。

 

參考文獻(xiàn):

郝名遠(yuǎn),等:煤矸石制備氣凝膠研究進(jìn)展,,太原理工大學(xué)

劉博,,等:用廢棄煤矸石制備高比表面積的SiO2-Al2O3二元復(fù)合氣凝膠,化工學(xué)報(bào)

鄭旭歡,,等:致力推進(jìn)煤矸石高值化利用,,中國建材報(bào)

朱平華,等:煤矸石基SiO2氣凝膠及其砂漿的性能評價(jià),,常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院

杜恒,,等:煤矸石處置與綜合利用研究,中國冶金地質(zhì)總局

 

(中國粉體網(wǎng)編輯整理/昧光)

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