煤矸石改性方法的研究进展.pdf

第 卷第 期 年 月应 用 化 工 .收稿日期:修改稿日期:基金项目:国家重点研发计划()作者简介:彭龙贵()男贵州遵义人教授博士硕士生导师项目博导主要从事煤矸石高值化应用及吸附与分离材料等方面的研究 电话:.煤矸石改性方法的研究进展彭龙贵何毓刚张亮青程焕全丁治玉张金魁(.西安科技大学 材料科学与工程学院陕西 西安.陕西正通煤业有限责任公司陕西 咸阳)摘 要:综述了煤矸石的改性方法包括传统的酸或碱处理、机械化学法、表面有机改性法、煅烧改性法、水热改性法以及复合改性法等 对传统的改性方法和改性效果进行了评估指出了在实际操作过程中存在的问题并进一步介绍了在现有的改性技术上进行的突破 传统改性方法大多存在转化率低、能耗大、工艺复杂且耗时长等问题越来越多的学者在现有技术上进行了进一步的探索开发了包括微波辅助酸或碱改性、添加矿化剂或改性剂辅助煅烧改性、球磨热活化复合工艺改性等更加完善、改性效果更好、能耗更低的煤矸石改性工艺 通过对常见的煤矸石改性方法进行调查分析旨在为今后优化煤矸石改性工艺和处理煤矸石固废提供更优的思路关键词:煤矸石改性方法吸附剂热活化中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.:煤矸石是煤炭开采过程中产生的一种低发热值且含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色固体废物 煤矸石的主要成分包括二氧化硅和氧化铝还包含铁、镁、钙等少量金属元素不同矿区分布的煤矸石的化学组成略有差异所以在处理应用的时候也比较困难 据统计我国每年煤矸石产量大约 亿 其中 亿 是可用于发电消耗的但是还有一部分煤矸石难以加工处理而对环境造成危害 煤矸石是一种难以开采的废弃物其硬度大、含碳量较低的特性很难被加工利用 目前国内煤矸石的利用率是较低的其加工处理水平也低于其他工业国所以在研究煤矸石结构性能方面需要下很大功夫提高废弃煤矸石的回收利用率随着社会的发展生态与科技齐进步的理念已经深入人心在技术突破的同时也要注重环境的保护达到资源循环利用的目的 目前煤矸石大量堆积容易自燃引起火灾污染空气也有一部分危害物质渗透到地下污染土壤和地下水所以解决煤矸石第 期彭龙贵等:煤矸石改性方法的研究进展污染问题就显得迫在眉睫 为了解决煤矸石堆积问题想办法提取煤矸石的附加利用值将煤矸石最大限度“变废为宝”许多研究者对煤矸石进行了改性增加其活性使其具有更多优异性能而应用于各大污染治理等领域实现了固废回收再利用的国家环保理念 本文对近些年来煤矸石改性方法的研究进行综述以期为煤矸石改性的固废利用提供新的思路 煤矸石改性方法.机械改性法机械研磨是对材料进行改性的一种常用物理手段对煤矸石进行研磨会增大其比表面积从而提高固体颗粒的吸附活性也会改变煤矸石的晶体结构和晶体粒径而且原料在颗粒细化时得到微均匀化反应活性也会随之大大提升朱建明对煤矸石进行机械化学改性通过球磨减小煤矸石的粒径、破坏煤矸石的矿物结构从而提高煤矸石的活性然后在机械处理后的煤矸石上添加氧化钙制备钙基煤矸石研究表明通过钙基煤矸石吸附 模拟废水具有很好的吸附效果 金灵通过机械研磨法控制煤矸石的平均粒径在.发现会使煤矸石的无定型的 结构和 四面体结构增加从而提高煤矸石的活性 郭丽君研究发现球磨热活化复合工艺改性的煤矸石明显优于球磨或者热活化单一工艺改性后的煤矸石 将煤矸石球磨 后在 煅烧 发现硅溶出量为./铝溶出量为./比单一工艺的硅、铝溶出量高出 倍多.酸或碱改性方法酸改性是通过酸浸将煤矸石中的、等酸溶性金属离子溶出改善煤矸石内部的孔径分布、孔洞数量和比表面积改变煤矸石的晶体结构和表面性质除此之外酸改性还可以增加煤矸石的活性位点而使其吸附性能更强 碱改性是通过碱性环境下改变煤矸石中的稳定晶体从而改变晶体结构对于提高煤矸石的孔洞结构和吸附能力有很大的作用 除此之外煤矸石中的硅铝酸盐还能和碱发生化学反应生成具有高吸附能力的新型环保材料刘成龙采用微波辅助酸浸法提取煤矸石中的有价资源研究表明微波辅助比传统加热效率提升了 倍提取率也很高煤矸石中铁的提取率高达.氧化铝的提取率高达.钛的提取率高达.通过微波法辅助酸或碱溶液来提取煤矸石中的有价资源不仅提高了提取率而且还能节省大量的操作时间降低能耗的同时还能减少对环境的污染 张凤娥等以粉碎的煤矸石粉末和氧化钙为原料通过热碱改性方式成功制备了改性煤矸石吸附剂()通过分析表明改性煤矸石不仅比表面积增加了且在其表面及内部孔径中成功引入了 王婷等通过在碱性环境下对煤矸石进行改性研究改性煤矸石对味精厂废水的吸附能力最终味精厂废水 去除率最高可达.陈莉荣等通过煤矸石及其他矿物成分制备碱性复合吸附材料发现煤矸石在碱性条件下被侵蚀表面疏松多孔大大增加了吸附能力在室温条件下吸附 /的铅离子模拟溶液 的吸附量达到最大为./去除率为.碱改性煤矸石复合材料能够高效地处理重金属离子废水.表面有机改性方法煤矸石的表面改性是指通过化学或物理的方法对煤矸石表面嫁接一层有机改性剂来改变煤矸石的表面电荷、亲水性和分散性等性能进行修饰活化赋予煤矸石独特的吸附特性增强煤矸石的修复活化能力拓宽煤矸石的应用范围杨长钰等应用巯基丙基三甲氧基硅烷对煤矸石进行表面有机改性然后研究改性煤矸石对 污染土壤的吸附能力成功获得巯基改性煤矸石对土壤中 具有最佳钝化效果的实验条件且钝化率高达 郭雯等以粉煤灰/煤矸石为原料经过高温融化然后通过纺丝技术制备煤矸石纤维再用淀粉和树脂基体的复合材料对煤矸石纤维表面改性提高了煤矸石的高值化应用还解决了煤矸石纤维脆性大、易断裂的缺点得到耐久性好、强度高、耐热、阻燃、绝缘等性能优异的煤矸石新型改性材料 陈旺也采用硅烷偶联剂对煤矸石粉进行改性结果表明改性煤矸石粉有更大的比表面积而且有机物附着在煤矸石上还能起到粘结作用形成更稳定的空间结构改善了沥青与填料的路用性能尚中博利用硅烷偶联剂对煤矸石进行疏基修饰成功开发出一种价格低廉、性能优良且制备工艺简单的巯基钝化剂并将其应用到重金属污染土壤的修复工作中 等成功合成了一种基于煤矸石()和十六烷基三甲基溴化铵()的新型吸附剂/该吸附剂对()具有优异的去除性能和较高的选择性/对()的最大吸附量可达./在 内去除率可达 优于大多数报道的矿物基吸附剂.煅烧改性方法煅烧改性是指通过高温焙烧的方法将煤矸石中应用化工第 卷低表面活性的高岭石转变为高活性的偏高岭石的过程 通过煅烧可以改变煤矸石中的孔隙率和晶体结构煤矸石的煅烧改性程度主要受煅烧温度和煅烧时间的影响这两个主要因素的差异会使煤矸石中的高岭土发生不一样的相变导致煅烧改性的煤矸石会存在性能差异张立明等在高温下煅烧煤矸石来制备 低碳水泥经过煅烧活化制备出来的低碳水泥用于增强混凝土的抗硫酸盐侵蚀具有很明显的效果 研究表明高温煅烧能够去除煤矸石中碳组分和高岭石中所含的羟基 结构 四面体结构发生变化大大提高了煤矸石的活化程度将其应用在水泥基复合材料中在满足强度不下降的基础上提高混凝土的耐久性还能节省成本从而实现煤矸石固废资源循环再利用的目的.水热改性方法水热改性煤矸石是指在一定的温度和压力下对煤矸石进行一定程度的物理或化学改性从而得到更为完整的材料 尤其是超临界水热法具有许多独特的性能不仅能提高煤矸石的反应活性还一定程度上改变了煤矸石的内部结构用于制备沸石分子筛时可以得到洁净度高、晶型完整的新型材料郭丽通过水热活化和添加 的晶种及柠檬酸合成出高附加值的化工产品 分子筛合成的 分子筛不仅洁净度高、晶型完整而且钙交换量高达 /鞠凤龙以煤矸石为原料通过超临界水热法成功合成了沸石材料所得的沸石材料结晶度很高粒径分布也比较均匀通过水热法制备的新型吸附材料对汞离子有明显的吸附效果最高可达.任卫国以太原的煤矸石为原料也采用超(亚)临界水热活化技术制备出沉淀白炭黑改性后白炭黑表面羟基可减少.其疏水性在一定程度上得到了提升 高平强等采用水热法将 负载在煤矸石上研究煤矸石新型吸附材料对苯酚的去除率结果表明 /的改性煤矸石对 /的苯酚溶液的去除率为 并通过实验验证以锐钛矿的形式被成功负载于煤矸石表面后可有效提高其光催化性能.复合改性方法复合改性一般是在热改性的基础上用机械改性或化学改性激发煤矸石的活性 通过复合改性能够一定程度上融合单一改性方法的优点补足其固有的缺陷产生协同作用复合改性煤矸石的综合性能明显比单一工艺改性的煤矸石要好也可以满足各种工业需求 而且复合工艺可以极大地提高煤矸石的活化效率得到性能更优异的煤矸石复合材料促进煤矸石中矿物资源的高效利用从而被广泛使用张坤通过煤矸石掺杂氧化钙 高温煅烧加入碱溶液搅拌成功合成了一种改性煤矸石复合新型吸附材料应用于废水中磷酸盐的吸附在同等条件下复合煤矸石吸附剂的吸附性能比煤矸石单体吸附性能更好 李秀玲等以煅烧活化后的煤矸石为载体然后采用水热法在活化煤矸石上负载得到的/改性煤矸石复合吸附材料用来吸附甲基橙模拟废水实验结果表明煤矸石改性复合材料的吸附性能优异对甲基橙的吸附率高达.除了煤矸石活化后具有很强的吸附能力之外复合材料表面的羟基和钛氧键等官能团对煤矸石的吸附脱色能力也有明显的作用 孙统才等也以煤矸石为原料利用 对煤矸石进行复合改性去吸附固定浓度的甲基橙溶液最终得到最佳改性条件为 和煤矸石的质量比为.煅烧温度为 煅烧时间为 时改性煤矸石的吸附效果最佳 张梦瑶在热改性的基础上利用氯化锌进行液相沉淀法制备锌改性煤矸石吸附剂可以改变煤矸石的化学成分使其具备更多的活性点位从而提高煤矸石的吸附容量和吸附能力拥有更广的应用范围谭小青等应用淀粉糊状物和煅烧后的煤矸石进行混合改性以煤矸石为填充料增强淀粉纸张的耐磨性能也是一种高附加值应用技术 马啸等通过在煅烧后的煤矸石上负载壳聚糖来制备煤矸石复合吸附材料实验结果表明煅烧后的煤矸石活性更高活化点位更多负载壳聚糖后的改性煤矸石对 有极强的吸附能力 等合成了氧化铁和硫酸氧化铁改性煤矸石(和)用于淹水条件下 污染水稻土的修复 与对照相比施用 和 使土壤 分别降低.和.个单位 展望本文综述了煤矸石的各种危害及国内外学者处理煤矸石固废的工艺 通过改性手段处理煤矸石达到煤矸石固废再利用的目的从根源上解决煤矸石堆积污染的问题 随着环境保护力度的加大和能源战略要求的提高一些工艺简单、能耗大、利用率低的改性手段将被淘汰微波辅助酸或碱改性、球磨热活化等复合工艺逐渐兴起并且不断完善在优化工艺路线的同时还能提高煤矸石的利用率具有很大的研究空间第 期彭龙贵等:煤矸石改性方法的研究进展近年来国内外学者加大对煤矸石综合利用的资金投入和实验研究采用各种科学手段将煤矸石综合利用起来 通过改性工艺调控煤矸石的结构和性能使其成为具有各种高附加值的环保材料从根源上解决煤矸石污染问题实现废弃物资源循环利用以及环境保护的目的参考文献:王晓栋张玥陈松等.煤矸石资源化利用的研究进展.化学工程师():.张晓旭刘开平关博文等.煤矸石的热活化工艺研究.应用化工():.张伟龙刘刚.煤矸石资源化利用技术研究新进展.陕西煤炭():.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.科技导报():.焦亚东徐树全彭道军等.煤矸石的活化方法与活化机理研究进展.应用化工():.朱建明.机械化学法改性煤矸石对水体中镉的吸附特征研究.淮南:安徽理工大学.金灵.机械活化煤矸石基注浆材料性能优化试验研究.徐州:中国矿业大学.郭丽君李超赵亮等.煤矸石的机械热复合活化研究.应用化工():.赵荣波.煤矸石的功能化用于水环境中重金属和抗生素的处理研究.呼和浩特:内蒙古大学.赵昱刘喆刘佳欣等.煤矸石制备环境功能材料的研究进展.化学通报():.刘成龙夏举佩范辉等.微波技术在煤矸石资源化应用 的 研 究 进 展 .应 用 化 工 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