中國粉體網訊 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。據統計，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，國家發改委、工信部曾聯合發布《關于推進大宗固體廢棄物綜合利用產業集聚發展的通知》，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，重點研發煤矸石生產農業肥料、凈水材料、膠結充填專用膠凝材料等高附加值產品。
目前，利用煤矸石的方式逐漸多樣化，但大多數都附加值比較小，且利用率不高，如生產水泥、磚、沸石和肥料等。為了實現煤矸石高值化應用，在保溫隔熱、吸附分離、光電催化、吸聲隔音、儲能轉換等領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SiO2和Al2O3氣凝膠，經濟價值巨大。
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過預處理，否則會增加企業經營成本，或導致原料性質多變，影響產品質量。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，為企業提供專業化、標準化和穩定的原材料，實現資源的高水平利用。
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的綠色發展。
（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定，不經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，經過煅燒活化處理之后，活化試劑與高嶺石等反應生成相應的霞石類礦物，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凝膠的制備以及氣凝膠的性質等。容易去除的雜質，通過水洗或溶劑置換等方式可去除。難以去除的雜質，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，對設備損耗低，可滿足工業大規模生產的要求，但制備的多為單元SiO2氣凝膠，且無法在600℃以上穩定使用。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備提出了更高的要求。
2產學研動態
（1）項目動態
2022年4月20日，六盤水市人民政府向社會推薦“鐘山產業園區煤矸石制備二氧化硅氣凝膠保溫材料項目”。《鐘山區“十四五”規劃綱要》提出，要培育發展新興產業優勢集群，圍繞煤矸石衍生產業，加快煤矸石高端產業化利用。
鐘山區煤矸石呈現高鐵、高鈦等重要特征，有條件發展煤矸石提取硅、鐵、鈦有價元素等新材料產業；適宜要重點推進煤矸石造紙、煤矸石生產有機生物肥料、煤矸石生產微米級陶瓷空心微珠、煤矸石煅燒生產高嶺土、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。
（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，然后結合"多相復式非連續生產工藝"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。
結果表明：煤矸石中SiO2產率高達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和較好的疏水性，當氣凝膠的取代率為100%時，導熱系數達到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。
實驗結果表明，煤矸石經過酸浸除去了大部分的鐵，鉀，堿土金屬等雜質。在經過堿熔活化后，煤矸石主要組分石英和高嶺石均轉化為非晶態，反應活性提高。制備得到的SiO-AlO氣凝膠是以Si-O-Si，Si-O-Al網絡結構為骨架的非晶態納米顆粒聚集體，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。
結語
我國煤矸石資源豐富，各地區煤矸石的礦物組成和化學成分等性質也各有不同，必須要在全面了解煤矸石特性的基礎上，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，才能真正實現煤矸石的高附加值綜合利用，為企業帶來良好的經濟效益和社會效益。
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，中國冶金地質總局
（中國粉體網編輯整理/昧光）
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