中國粉體網(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%，占中國工業(yè)廢棄物排放量的25%。按我國原煤年產(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......
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NOx、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，盡量避免其對生態(tài)環(huán)境造成不良影響，是我國煤炭行業(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%）主要集中于我國西北地區(qū)的礦區(qū)，我國北方部分礦區(qū)煤矸石的化學(xué)組成見下表。
我國北方部分礦區(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，以降低我國鋁土礦資源的對外依存度，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。由于利用純原料(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。田修營等利用煤矸石制備了氧化鋁耐磨陶瓷，對產(chǎn)品的密度、硬度、斷裂韌性和耐磨性能等進(jìn)行了測試。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·m1/2，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)Y(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]田修營等.利用煤矸石合成耐磨氧化鋁陶瓷
[4]曾鵬等.我國煤矸石的特性及其提取氧化鋁研究進(jìn)展
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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