煤矸石

煤矸石是夹在煤层中的岩石，是采煤和选煤过程中排出的固体废物，成煤过程中与煤伴生、灰分通常大于50%，发热量在3.5-8.3MJ/Kg范围内。煤矸石按产出方式不同可分为岩巷矸石，煤巷矸石，剥离矸石，手选矸石，洗选矸石，自燃矸石。我国是煤炭生产大国，每年有大量煤矸石产出，不仅占用大量土地，还造成严重的环境污染问题。我国从20世纪50年代开始研究对煤矸石进行综合利用，并取得不少经验和效益，但也存在不少问题。目前我国煤矸石利用率还比较低，而且煤矸石利用主要应用于生产建筑材料等附加值较低的方向，造成资源的浪费。近年来随着三聚磷酸钠（STPP）在洗涤剂中大量使用，洗涤废水的排放造成水体富营养化，人们迫切需要找到一种STPP的替代品。4A沸石以其良好的钙离子交换能力和一定的镁离子交换能力，成为STPP最为理想的替代品。4A沸石的传统合成原料为氢氧化钠、氢氧化铝等化工原料，生产成本较高。以煤矸石中的高岭石族粘土矿物为原料合成沸石，既为沸石生产提供了大量的廉价原料，同时也解决了煤矸石堆放造成的一系列问题。研究的主要目的和内容：在原有的煤矸石合成沸石试验研究基础上，用不同的预处理方法对原料进行预处理，并通过改变各种参数并检测最终产品的理化性质，确定最佳的原料预处理方法和合成参数及设备，通过对合成过程的分析研究，解释煤矸石合成沸石的机理。通过实验室合成沸石的研究，为工业化生产提供理论依据。主要内容包括：1、通过对煤矸石化学分析和矿物分析，制定合理的活化和除杂措施。2、对活化除杂后的物料进行晶化合成试验，调整合成过程的时间、温度、PH等条件确定最佳的合成参数。3、在合成沸石过程中加入不同种类的晶化导向剂，对比不同导向剂下产品性质，讨论晶化导向剂在结晶过程中的作用及机理。4、对沸石合成的机理进行系统研究，为合成沸石和工业化生产提供理论依据。5、采用不同设备和方法进行对比，探索不同设备和方法对产品质量和产量的影响，确定最佳设备和生产流程。研究现状综述：Howell等最早提出以高岭石为主要原料合成沸石，他们成功地采用二段合成工艺用活性高岭石合成了4A沸石，之后用高岭石合成沸石一直是人们研究的热点。常用的合成设备和检测设备包括：破碎机、合成反应釜、搅拌器、过滤机、高温炉、烘箱、白度测定仪、XRD分析仪、SEM、差热分析仪等。煤矸石中主要杂质包括碳质和铁、钛等。煤矸石中碳质一般通过煅烧方式即可除去。铁、钛等杂质如果含量较高，会严重影响合成沸石的白度。常见的煤矸石除铁方法包括亚硫酸锌或亚硫酸钠法、酸浸法、加入氯化钠煅烧，高梯度磁选法，超细浮选法等，对于含铁量较低的煤矸石，还可采用氯化铵固态焙烧除铁。常见的沸石合成方法包括:1、水热合成法长期以来，水热反应合成沸石是最为常用的方法，水热合成沸石具有操作方便的特点，但是产品杂质含量多，洁净度低，而且产品颗粒受原矿颗粒的影响较大。2、微波合成20世纪80年代，李金树等采用微波辐射法合成4A沸石，微波辐射能够降低晶核形成及晶体生长的表观活化能，并且加速整个晶化反应速率。3、极浓体系合成法及其他合成方法极浓体系合成使反应体系中液固比大大降低，使原料在极浓体系下完成解聚、重排、成核、晶化的全过程，该法进一步发展、出现了纯固体配料合成法、干粉体系合成法。4、碱溶法碱溶法即活化煤矸石，溶出煤矸石中的硅铝酸盐低聚物，利用硅铝酸盐低聚物，调节配比，合成沸石。有关煤矸石合成沸石机理的研究：煤矸石合成沸石机理常见的是液相机理，固相机理和混合机理等。液相机理可以概括为：偏高岭石在碱液中溶解，形成硅酸根离子和铝酸根离子，并进一步形成硅铝酸根和硅铝酸盐胶体，当硅铝酸盐体系浓度达到沸石的饱和浓度时，溶液中开始形成晶核，硅铝酸盐胶体开始溶解，晶核以此为“营养”，生长成为沸石晶体；固相机理认为，偏高岭石溶解后，硅酸根和铝酸根形成的硅铝酸凝胶不溶解，直接转变为沸石晶体。混合机理则认为晶化过程中同时存在固相晶化过程和液相晶化过程。