中國(guó)粉體網(wǎng)訊  煤矸石是煤炭開采過程中形成的廢棄物,，其碳含量較低，且干基灰分超過50%,，其年產(chǎn)量約占煤炭開采量的15%~20%，有的地方甚至達(dá)到30%~40%,，占中國(guó)工業(yè)廢棄物排放量的25%,。按我國(guó)原煤年產(chǎn)量35億~40億t計(jì)，煤矸石年排放量至少在5~8億t,，已成為世界上最大的固體廢棄物之一,。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)現(xiàn)有煤矸石在70億t以上,，而且這個(gè)數(shù)字還在以較快的速度增長(zhǎng)......

矸石山

此外,，煤矸石的危害是巨大的。煤矸石一般采用露天堆放,，很多煤矸石山在常溫環(huán)境下會(huì)發(fā)生自燃,，釋放出大量NO_x、SO₂等氣體,，不僅污染了空氣,，還影響了居民的生活。而且,，煤矸石經(jīng)風(fēng)化后,，錳、鉻,、硒,、鎳、砷等多種微量元素會(huì)散布到環(huán)境中,，進(jìn)而污染環(huán)境和地下水,，對(duì)周邊生態(tài)系統(tǒng)造成了嚴(yán)重破壞。因此,，開發(fā)煤矸石綠色高效利用途徑,，盡量避免其對(duì)生態(tài)環(huán)境造成不良影響，是我國(guó)煤炭行業(yè)亟待解決的問題,。

煤矸石特性

礦物組成

煤矸石中的礦物種類有：

（1）鋁土礦,，主要組成為一水鋁石和三水鋁石,，煤矸石中Al₂O₃含量>40%；

（2）硅酸鹽類礦物,，主要組成為石英,、正長(zhǎng)石和普通輝石，其中石英含量最高,；

（3）黏土礦物,，主要組成為蒙脫石、高嶺石和水白云母,，占比最大的SiO₂和Al₂O₃在煤矸石中的含量分別為40％～70％與15％～30％,；

（4）碳酸鹽類礦物，主要組成為方解石,、白云石與菱鐵礦,。

化學(xué)組成

煤矸石的化學(xué)組成主要為SiO₂和Al₂O₃，SiO₂含量在30％～60％之間,，Al₂O₃含量在20％～40％之間,，F(xiàn)e₂O₃和CaO的含量之和普遍低于10％。但是,，以高嶺土為主要組分的煤矸石,，Al₂O₃含量可以達(dá)到40％。高鋁煤矸石（Al₂O₃含量>30%）主要集中于我國(guó)西北地區(qū)的礦區(qū),，我國(guó)北方部分礦區(qū)煤矸石的化學(xué)組成見下表,。

我國(guó)北方部分礦區(qū)煤矸石的主要化學(xué)成分

綜上所述，煤矸石中含有大量的SiO₂和Al₂O₃,，而這些化合物又是常用的陶瓷生產(chǎn)原料,，煤矸石本身也具有大量微孔和較高的比表面積。因此,，完全可以利用煤矸石來制備機(jī)械強(qiáng)度高,、耐酸堿腐蝕以及壽命長(zhǎng)等具有優(yōu)異性能的陶瓷等材料。

制備陶瓷粉體材料

1,、提取氧化鋁

在實(shí)現(xiàn)煤矸石的綜合利用時(shí),，鋁硅資源的回收利用是不可忽視的一部分。我國(guó)大部分煤矸石中高嶺土含量豐富,，活性易于激發(fā),，可從中提取氧化鋁，以降低我國(guó)鋁土礦資源的對(duì)外依存度,，實(shí)現(xiàn)煤矸石的高值化利用,。煤矸石提取氧化鋁分為酸法和堿法。

酸法一般采用硫酸或鹽酸作為浸取劑,，在特定溫度下酸浸煤矸石,，煤矸石中的氧化鋁與酸反應(yīng)得到鋁鹽溶液,，浸出煤矸石中的Al³⁺，留下不與酸反應(yīng)的非晶態(tài)SiO₂,，從而實(shí)現(xiàn)硅鋁分離,，濾渣經(jīng)除雜純化后得到氧化鋁。酸法主要包括硫酸法,、鹽酸法與硫酸銨法,；堿法類似鋁土礦燒結(jié)法，即利用氫氧化鈉,、生石灰等堿類或石灰石,、碳酸鈉等堿性原料在一定條件下與煤矸石混合高溫焙燒，使其中的鋁單獨(dú)分離出來,。

2,、氧化鋁－碳化硅粉體材料

氧化鋁－碳化硅粉體是一種常用的具有優(yōu)良特性的材料，研究發(fā)現(xiàn)：將氧化鋁-碳化硅復(fù)相粉體加入到含碳耐火材料中顯著提高了含碳耐火材料的抗氧化性,，并且抗渣鐵侵蝕能力和抗?jié)B透性能也得到了顯著的提高。另外,，添加Al₂O₃-SiC復(fù)相粉體的炮泥的抗渣性能良好,，抗折性能也有所提高。

采用煤矸石和碳質(zhì)材料（活性炭,、炭黑,、無煙煤等）為原料，采用碳熱還原法成功制備出高性能低成本的氧化鋁-碳化硅粉體,，可在工業(yè)生產(chǎn)中使用,，提高煤矸石的利用率。

3,、賽隆粉體材料

賽隆是由鋁,、氧原子部分置換Si₃N₄中硅原子和氮原子的基礎(chǔ)上形成的一大類固溶體的總稱，可分為β－Sialon,、α－Sialon和O’－Sialon等,。賽隆材料具有高硬度、高耐火度,、高韌性,、低膨脹性和良好耐熱穩(wěn)定性等性能，現(xiàn)已成為最具潛力的高性能陶瓷材料之一,。由于利用純?cè)��?如Si₃N₄,、Al₂O₃、SiO₂等)制備賽隆材料成本較高,，制備工藝也較為復(fù)雜,，不宜于工業(yè)生產(chǎn),。煤矸石作為大宗廢棄物，其中富含大量的Al₂O₃和SiO₂,，因此利用煤矸石制備賽隆及其復(fù)合材料,，不僅可以使煤矸石得到綜合利用，也可以減少天然資源的消耗,。

制備致密陶瓷材料

1,、致密莫來石及其復(fù)合材料

莫來石(3Al₂O₃·2SiO₂)是一種優(yōu)質(zhì)的耐火材料，其中w(Al₂O₃)=71．8%,，w(SiO₂)=28．2%,。莫來石具有致密度高、抗熱震性好,、抗蠕變性好,、膨脹系數(shù)低、化學(xué)成分穩(wěn)定等特點(diǎn),。在我國(guó)天然的莫來石儲(chǔ)量較少,，大部分莫來石都是采用人工合成的辦法。利用煤矸石配入Al₂O₃等輔料,，經(jīng)過高溫煅燒反應(yīng)可以制備出性能優(yōu)良的莫來石及莫來石復(fù)合材料,。我國(guó)就煤矸石制備莫來石及其復(fù)合材料的研究也取得了一定的進(jìn)展。

2,、致密賽隆及其復(fù)合材料

房現(xiàn)閣等以高鋁煤矸石,、鐵精礦粉、焦炭粉為原料,，采用碳熱還原氮化法在1400～1550℃保溫4h條件下制備出Fe-Sialon復(fù)相致密材料,，研究發(fā)現(xiàn)：焦炭量超過10%、在1500℃下保溫4h制備的Fe-Sialon致密材料晶粒分布最均勻,，使用性能最好,。

岳昌盛等以酸洗后的煤矸石基β-Sialon粉、鋁粉,、硅粉及α-Al₂O₃粉為原料,，利用二次氮化法制備出β-Sialon及β－Sialon/SiC致密陶瓷材料。研究發(fā)現(xiàn)：增加Al,、Si的含量可以提高材料的體積密度和抗折強(qiáng)度,，顯氣孔率得以下降。

3,、合成耐磨氧化鋁陶瓷

氧化鋁陶瓷在煤炭,、電力、礦山和水泥設(shè)備及工件中的耐磨部位具有極其重要的作用。田修營(yíng)等利用煤矸石制備了氧化鋁耐磨陶瓷,，對(duì)產(chǎn)品的密度,、硬度、斷裂韌性和耐磨性能等進(jìn)行了測(cè)試,。結(jié)果表明：煤矸石取代量為30wt％,，燒結(jié)溫度為1400℃時(shí)，燒結(jié)完好,，樣品外形美觀,，無斑點(diǎn)。3.4cm³/g,，洛氏硬度為82,，斷裂韌性可達(dá)3.62MPa·m^1/2，磨耗為0.247g/kg·h,。

制備多孔陶瓷材料

1,、多孔莫來石陶瓷材料

多孔莫來石材料廣泛應(yīng)用于冶金、陶瓷,、玻璃和化工等領(lǐng)域,，但用于合成多孔莫來石的原料成本較高，制備工藝較為復(fù)雜,。因此,，如何利用廉價(jià)資源合成莫來石已成為耐火材料領(lǐng)域重要研究方向之一。由于煤矸石中含有大量的氧化鋁和二氧化硅,，這是制備多孔莫來石的主要原料。并且煤矸石中含有的氧化鈣,、氧化鎂等氧化物,，在燒結(jié)陶瓷的過程中低溫時(shí)可以快速的產(chǎn)生液相，也可縮短燒結(jié)時(shí)間,，降低燒結(jié)溫度,，這也為煤矸石制備多孔莫來石材料提供了可行性。

2,、多孔堇青石陶瓷材料

多孔堇青石陶瓷具有耐高溫,、耐酸堿、熱膨脹系數(shù)低和抗壓強(qiáng)度高等特點(diǎn),，因此,，廣泛應(yīng)用于冶金、陶瓷,、玻璃等行業(yè)的窯爐材料中,。煤矸石很適合制備多孔堇青石陶瓷，而且煤矸石中有機(jī)質(zhì)也可在燒結(jié)過程中起到造孔的作用，在堇青石陶瓷生坯中占據(jù)一定體積,，高溫?zé)�結(jié)后會(huì)留下孔隙,，有利于提高多孔堇青石陶瓷的顯氣孔率。因此,，完全可以利用煤矸石來制備氣孔率較高,、導(dǎo)熱系數(shù)低、抗熱震性能優(yōu)異的多孔堇青石陶瓷材料,。

參考來源：

[1]王小云等.煤矸石研究綜述：分類,、危害及綜合利用

[2]曹雨桐等.利用煤矸石制備陶瓷材料的研究進(jìn)展

[3]田修營(yíng)等.利用煤矸石合成耐磨氧化鋁陶瓷

[4]曾鵬等.我國(guó)煤矸石的特性及其提取氧化鋁研究進(jìn)展

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

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