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,、比煤堅硬的黑灰色巖石。據(jù)統(tǒng)計,，我國目前煤矸石累計存量達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》，鼓勵煤矸石多元素,、多組分梯級利用,，推進煤矸石高值化利用，提取有用礦物元素,，重點研發(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。煤矸石的主要化學成分為SiO2,、Al2O3和Fe2O3等,，其中SiO2和Al2O3兩種化學成分的占比最高，很多可達到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)濟價值巨大,。
不同煤矸石的化學成分
1煤矸石制備氣凝膠
（1）煤矸石預處理
煤矸石成分復雜,，在綜合利用之前要經(jīng)過預處理，否則會增加企業(yè)經(jīng)營成本,，或?qū)е略闲再|(zhì)多變,，影響產(chǎn)品質(zhì)量。對煤矸石進行集中分類處理,，將煤,、煤矸石、巖石和廢土進行分離,，為企業(yè)提供專業(yè)化,、標準化和穩(wěn)定的原材料，實現(xiàn)資源的高水平利用,。
煤矸石預處理工藝流程
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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,。
對煤矸石進行煅燒處理，采用酸堿兩步溶出法對煤矸石中硅鋁等化學成分有效溶出,，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復合氣凝膠,，在更高溫度下使用,，同時一步法在堿溶煅燒時也對設(shè)備提出了更高的要求,。
2產(chǎn)學研動態(tài)
（1）項目動態(tài)
2022年4月20日,，六盤水市人民政府向社會推薦“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,、鈦有價元素等新材料產(chǎn)業(yè),；適宜要重點推進煤矸石造紙、煤矸石生產(chǎn)有機生物肥料,、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、煤矸石制造無機纖維,、煤矸石制造鋁硅鐵合金,、氣凝膠材料等項目建設(shè)。
（2）研究進展
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性能。
結(jié)果表明：煤矸石中SiO2產(chǎn)率高達92.2%,，疏水性SiO2氣凝膠純度可達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熱系數(shù)和較好的疏水性,，當氣凝膠的取代率為100%時,，導熱系數(shù)達到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二元復合氣凝膠。
實驗結(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、超細粉碎,、表面改性等手段,，有目的性和針對性的進行精細加工，才能真正實現(xiàn)煤矸石的高附加值綜合利用,，為企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟效益和社會效益,。
參考文獻：
郝名遠，等：煤矸石制備氣凝膠研究進展,，太原理工大學
劉博,，等：用廢棄煤矸石制備高比表面積的SiO2-Al2O3二元復合氣凝膠，化工學報
鄭旭歡,，等：致力推進煤矸石高值化利用,，中國建材報
朱平華，等：煤矸石基SiO2氣凝膠及其砂漿的性能評價,，常州大學環(huán)境與安全工程學院
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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