煤矸石改性方法及其资源环境利用研究进展

doi:10.6023/A24010038

化学学报 ›› 2024, Vol. 82 ›› Issue (5): 527-540.DOI: 10.6023/A24010038 上一篇下一篇

综述

煤矸石改性方法及其资源环境利用研究进展

张华林^a^,^b^,^c, 赵梦飞^a^,^b^,^c, 江晓亮^b, 田少静^b, 滕泽栋^a^,^e, 李庭刚^a^,^b^,^c^,^d^,^e^,^*()

a 中国科学院过程工程研究所中国科学院绿色过程与工程重点实验室中国科学院绿色过程制造创新研究院战略金属资源绿色循环利用国家工程研究中心北京市过程污染控制工程技术研究中心北京 100190
b 中国科学院赣江创新研究院中国科学院稀土重点实验室江西省稀土清洁生产重点实验室江西赣州 341003
c 江西理工大学冶金工程学院江西赣州 341099
d 生物药制备与递送重点实验室(中国科学院) 生化工程国家重点实验室北京 100190
e 中国科学院大学北京 100049

投稿日期:2024-01-29 发布日期:2024-04-02

作者简介:

张华林, 2022年江西理工大学与中国科学院赣江创新研究院联合培养在读博士研究生, 主要从事方向为生态修复与改良.

赵梦飞, 2021年江西理工大学与中国科学院赣江创新研究院联合培养在读博士研究生, 主要从事方向为稀土生物浸出.

江晓亮, 中国科学院赣江创新研究院助理研究员, 主要从事矿山土壤改良、土壤重金属生态修复、重金属超富集植物与根际微生物互作机制研究.

田少静, 2022年中国科学院赣江创新研究院在读博士研究生, 主要从事环境功能材料设计与研发及其应用于稀土矿区的生态修复.

滕泽栋, 中国科学院过程工程研究所副研究员, 主要从事污染生态环境跨介质修复、环境生物技术强化减污降碳、环境功能材料设计与开发等方面的基础和应用研究.

李庭刚, 博士, 研究员, 博士生导师, 中国科学院过程所“百人计划”、江西省“千人计划”入选者. 2008年获中国科学院生态环境研究中心博士学位, 2006~2008年在新加坡南洋理工大学进行博士联合培养, 2010~2019年在新加坡国立大学做博士后、特聘研究员, 2019年至今在中国科学院过程工程研究所工作, 环境生物技术课题组组长. 中国科学院赣江创新研究院双聘. 长期从事环境生物过程转化机理与能源资源化技术研究, 主要涉及土壤-地下水修复、高盐有机废水处理与资源化、稀土生物冶金、生物新能源制造、环境污染物定向生物转化与功能材料应用基础研究. 主持国家自然科学基金、国家重点研发计划项目课题、地方科技重大专项以及企业委托等科研项目. 近年来在Science子刊Science Advances, Biotechnology for Biofuels, Environmental Science & Technology, Biotechnology and Bioengineering, Water Research, Bioresource Technology, Journal of Biotechnology, Renewable Energy等主流期刊上发表论文40余篇, 申请和授权发明专利20余项. 担任巴塞尔公约亚太区中心化学品和废物环境管理智库专家, 中国自然资源学会废弃物资源化专业委员会委员, Clean Energy Science and Technology等期刊编委, Membrane期刊客座编辑, 荣获2021年中国产学研促进会科技合作创新奖, 2022年中国发明协会发明创业成果奖二等奖.

基金资助:
鄂尔多斯市科技重大专项(2022EEDSKJZDZX014-1); 鄂尔多斯市科技重大专项(2022EEDSKJZDZX014-2); 江西省技术创新引导类计划项目(20212BDH81029); 稀土产业基金(IAGM2020DB06); 中国科学院重点部署项目(ZDRW-CN-2021-3-3)

Research Progress of Coal Gangue Modification Method and Its Resource and Environment Utilisation

Hualin Zhang^a^,^b^,^c, Mengfei Zhao^a^,^b^,^c, Xiaoliang Jiang^b, Shaojing Tian^b, Zedong Teng^a^,^e, Tinggang Li^a^,^b^,^c^,^d^,^e()

a CAS Key Laboratory of Green Process and Engineering, Innovation Academy for Green Manufacture, National Engineering Research Center of Green Recycling for Strategic Metal Resources, Beijing Engineering Research Centre of Process Pollution Control, Institute of Process Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190
b Key Laboratory of Rare Earth, Jiangxi Province Key Laboratory of Cleaner Production of Rare Earths, Ganjiang Innovation Academy, Chinese Academy of Sciences, Ganzhou, Jiangxi 341003
c School of Metallurgical Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou, Jiangxi 341099
d State Key Laboratory of Biochemical Engineering, Key Laboratory of Biopharmaceutical Preparation and Delivery, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190
e University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049

Received:2024-01-29 Published:2024-04-02
Contact: *E-mail: tgli@ipe.ac.cn
Supported by:
Science and Technology Major Program of Ordos City of China(2022EEDSKJZDZX014-1); Science and Technology Major Program of Ordos City of China(2022EEDSKJZDZX014-2); Technological Innovation Guidance Program of Jiangxi Province(20212BDH81029); Rare Earth Industry Fund(IAGM2020DB06); Key Research Program of the Chinese Academy of Sciences(ZDRW-CN-2021-3-3)

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摘要/Abstract

煤矸石是一种煤炭开采和洗选过程中产生的典型工业废弃物, 其大量的堆积造成了较大的环境问题. 通过不同的改性方法对煤矸石进行改性, 可以显著提升其在环境保护、资源回收方面的应用潜力. 改性煤矸石在环境应用方面的研究涉及多个领域, 这些应用不仅有助于减轻煤矸石对环境的压力, 而且可以通过回收和再利用, 为环境保护和经济发展提供新的动力, 实现煤矸石综合利用的可持续发展. 本综述从煤矸石的环境问题出发, 强调了通过改性技术提升其环保潜力的重要性并详细分析了改性煤矸石在废水处理、土壤修复、建筑材料制备等方面的应用, 并探讨了面临的挑战和未来发展方向, 为煤矸石资源化利用奠定了基础.

关键词: 煤矸石, 改性方法, 环境应用, 资源化

Coal gangue, a byproduct of coal mining and processing, has long been regarded as solid waste. However, with the increasing severity of resource scarcity and environmental pollution issues, the efficient utilization and resource recovery of coal gangue have become urgent needs. This paper reviews the modification and resource utilization of coal gangue, focusing on its introduction, pretreatment, modification methods, and the latest progress in resource utilization. Firstly, coal gangue is a porous granular material composed mainly of inorganic minerals, organic matter, and water. Due to its complex nature and diverse composition, the direct utilization of coal gangue is somewhat limited. Therefore, modifying coal gangue is a key step in achieving its resource utilization. Pretreatment before modification is a crucial step to ensure the effectiveness of coal gangue modification. This involves physical processes such as crushing, screening, magnetic separation, and washing of coal gangue to reduce particle size, achieve uniformity, enhance surface area and pore structure, thereby providing a solid foundation for subsequent modification. The modification methods of coal gangue mainly include chemical modification, biological modification, and composite modification. Chemical modification involves introducing functional groups or altering its chemical structure through processes such as acid-base treatment, organic modification, thermal activation, etc., thereby improving its adsorption performance, dispersibility, etc. Biological modification utilizes microorganisms, enzymes, and other biological systems to enhance the environmental friendliness and biocompatibility of coal gangue. Composite modification combines the advantages of various modifications to make coal gangue-based materials meet requirements better. Significant progress has been made in the resource utilization of coal gangue. Modified coal gangue is extensively utilized in environmental management sectors like soil remediation and wastewater treatment, showcasing excellent adsorption capabilities and catalytic activity. Furthermore, modified coal gangue is utilized as raw material in sectors such as construction materials, energy recovery, and fertilizer production, providing a new pathway for reducing mineral resource consumption and advancing circular economy development.

Key words: coal gangue, modification method, environmental application, resource utilization

引用此文

张华林, 赵梦飞, 江晓亮, 田少静, 滕泽栋, 李庭刚. 煤矸石改性方法及其资源环境利用研究进展[J]. 化学学报, 2024, 82(5): 527-540.

Hualin Zhang, Mengfei Zhao, Xiaoliang Jiang, Shaojing Tian, Zedong Teng, Tinggang Li. Research Progress of Coal Gangue Modification Method and Its Resource and Environment Utilisation[J]. Acta Chimica Sinica, 2024, 82(5): 527-540.

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[83]	Zhou, Q.; Zhang, R. X.; Meng, J. X.; Shen, Z. L.; Yang, T. H.; Xing, W. L. J. Energy Inst. 2023, 109, 101292.
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[88]	Quan, C.; Chu, H.; Zhou, Y. Y.; Su, S.; Su, R. R.; Gao, N. B. Fuel 2022, 322, 124184.
[89]	Yi, D. W.; Du, H. L.; Li, Y. F.; Gao, Y. M.; Liu, S. F.; Xu, B. Y.; Huang, H. Q.; Kang, L. Coatings 2023, 13, 1886.
[90]	Ai, J. J.; Li, F.; Wu, Y.; Yin, Y. K.; Wu, Z. J.; Zhang, J. B. Fuel 2023, 341, 127692.
[91]	Liu, X.; Liu, W. K.; Zhang, H. B.; Niu, H. P. Pol. J. Environ. Stud. 2016, 25, 1305.
[92]	Zheng, W. K.; Li, Y. C.; Zhu, Y.; Wang, F.; Zhao, D.; Yang, Y. X.; Li, H. ACS Appl. Mater. Interfaces 2023, 15, 42753.
[93]	Geng, J. J. M.S. Thesis, Nanchang Hangkong University, 2014 (in Chinese).
	(耿军军, 硕士论文, 南昌航空大学, 南昌, 2014.)
[94]	Qiu, J. S.; Cheng, K.; Zhang, R. Y.; Gao, Y.; Guan, X. Constr. Build. Mater. 2022, 345, 128071.
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[97]	Zhang, Y.; Wei, J. X.; Zhang, X. Y.; Gao, P. Q. Polym. Polym. Compos. 2023, 31, 1.

来源	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	TiO₂	R₂O
掘进矸石	53.10	18.40	8.10	4.50	1.50	0.85	0.70
洗选矸石	50.50	37.90	4.15	1.80	1.07	1.60	0.65
普通煤矸石	41.10	22.90	2.40	0.73	0.34	0.86	2.00
六安市煤炭开采	37.80	21.20	2.50	2.60	0.30	0.90	1.40
内蒙古准格尔	36.90	38.98	0.33	—	0.03	1.01	0.17
于贵州盘县某矿区	37.30	17.35	18.19	6.85	1.15	4.19	—
普通煤矸石	38.18	18.48	12.97	2.86	2.63	4.51	0.02
高铝煤矸石	42.17	48.41	0.07	3.77	0.94	1.35	—
普通煤矸石	41.47	15.95	3.53	1.23	1.79	—	1.71

来源	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	TiO₂	R₂O
掘进矸石	53.10	18.40	8.10	4.50	1.50	0.85	0.70
洗选矸石	50.50	37.90	4.15	1.80	1.07	1.60	0.65
普通煤矸石	41.10	22.90	2.40	0.73	0.34	0.86	2.00
六安市煤炭开采	37.80	21.20	2.50	2.60	0.30	0.90	1.40
内蒙古准格尔	36.90	38.98	0.33	—	0.03	1.01	0.17
于贵州盘县某矿区	37.30	17.35	18.19	6.85	1.15	4.19	—
普通煤矸石	38.18	18.48	12.97	2.86	2.63	4.51	0.02
高铝煤矸石	42.17	48.41	0.07	3.77	0.94	1.35	—
普通煤矸石	41.47	15.95	3.53	1.23	1.79	—	1.71

来源	表观密度/ (kg·m^－3)	堆积密度/ (kg·m^－3)	含水量/%	破碎率/%	孔隙率/%
辽宁	2276~2653	1220~1550	3.15~9.8	9.9~25.2	22.0~52.8
江苏	2620~2712	1430~1612	1.7~3.9	16.8~24.4	—
山西	2083~2689	1130~1201	4.7~11.4	18.1~19.0	—
河南	2510~2540	1264~1320	1.7~3.9	17.9~19.1	47.5~51.5

来源	表观密度/ (kg·m^－3)	堆积密度/ (kg·m^－3)	含水量/%	破碎率/%	孔隙率/%
辽宁	2276~2653	1220~1550	3.15~9.8	9.9~25.2	22.0~52.8
江苏	2620~2712	1430~1612	1.7~3.9	16.8~24.4	—
山西	2083~2689	1130~1201	4.7~11.4	18.1~19.0	—
河南	2510~2540	1264~1320	1.7~3.9	17.9~19.1	47.5~51.5

物理改性方法	优点	缺点	文献
粉碎、磨细	提高比表面积，增强煤矸石的反应性和结合性	过度磨细可能导致能源消耗增加和处理成本上升	[22-23]
筛分	提高物料的均一性和使用灵活性	无法去除所有杂质, 分离效率较低	[24]
浮选和重力分离	可以提高煤矸石中有价值成分的浓度	需要大量的水和化学试剂,增加处理成本和环境风险	[25]
磁选	移除铁磁性矿物, 提纯效果好	对非磁性杂质的去除效果有限	[26-27]
静电分离	有效于分离电性不同的矿物颗粒	对湿度和其他环境因素敏感, 可能影响分离效果	[28-29]
造粒成型	提升煤矸石的物理稳定性和易处理性	需要额外的粘结剂或加工步骤	[30]
洗涤	可以去除表面灰尘和泥土, 提高煤矸石的纯度	大量废水产生, 需要额外的水处理步骤	[31]

煤矸石改性方法及其资源环境利用研究进展

Research Progress of Coal Gangue Modification Method and Its Resource and Environment Utilisation

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改性方法	运用	效果	文献
焙烧、酸化	含对羟基苯磺酸废水吸附	去除率达到85.34%	[16]
HCl、KOH改性	含U(VI)废水净化	吸附量为140 mg/g	[45]
碱溶、焙烧	Al、Si的提取	提取率78.9%和69.2%	[46]
5%硬脂酸、70 ℃反应2 h	聚氯乙烯热稳定性探究	10%添加后其冲击强度为9.05 kJ/m²	[47]
NaOH、焙烧	含镉土壤	Cd^2＋减少了14.2%~29.8%	[48]
焙烧后HCl处理, 再混合FeCo₂O₄、柠檬酸焙烧	工业固体废物腐殖酸降解	腐殖酸(20 mg/L)的降解效率接近85%	[49]
NaOH/NasSiO₃处理、焙烧、微波活化	生产多孔陶瓷材料	抗压强度提高1倍	[50]
KOH、焙烧, 焙烧后聚乙烯亚胺-乙醇溶液80 ℃反应12 h	CO₂吸附	15%聚乙烯亚胺负载量对CO₂吸附量为 1.59 mmol/g, 吸附效能提升37.1%	[51]
焙烧、水热后与双十二烷基二甲基溴化铵反应	含腐殖酸溶液	腐殖酸去除率88.71%	[52]
焙烧、ZnCl₂-FeCl₃改性	光催化剂制备及其降解五氯酚	降解率达到100%, 具有光催化降解效果, 可重复使用	[53]

改性方法	优点	缺点
酸碱改性	去除表面杂质, 提高纯度; 改变表面性质, 增强活性	产生废水、废气, 污染环境, 引入新的有害物质
有机改性	改性亲水/疏水性, 提高应用性能	成本高, 可能影响其他性质
热活化改性	提高孔隙结构、比表面积, 增强吸附能力和化学活性	高温处理可能导致内部结构破坏, 影响性能; 成本较高
生物改性	环境友好, 成本低廉	受操作条件影响大, 周期一般较长
复合改性	结合多种改性方法的优点, 综合性能好, 能满足不同需求	制备复杂, 成本高, 需要平衡各种改性方法的影响

利用途径	优点	缺点
废水处理	有效去除水中的重金属有机物等; 成本低廉, 实现废弃物资源化; 可以再生, 减少资源消耗	需要对煤矸石预处理; 吸附能力有限, 需要定期更换; 可能造成二次污染
土壤修复	提高土壤透气性和水保持能力; 促进作物生长, 提高产量	土壤改良剂受原料性质影响较大, 不同的土壤类型所需的改良剂不同; 需要评估长期效应和环境风险
建筑材料	降低建材成本; 提高材料的绝热性和耐火性	强度、耐久性等可能不如传统材料; 生产过程中可能需要额外的能源和成本
能源回收	减少化石能源依赖, 缓解环境压力	技术、设备成本要求高; 回收过程可能产生对环境不利的物质, 需要严格控制排放
肥料生产	提高土壤治理和作物产量, 减少化学肥料的使用	对原料要求高, 可能需要对煤矸石进行无害化处理, 生产使用过程需要严格控制质量
电池原料	高硅含量且成本较低	对硅提纯技术要求高; 技术研发和产业化过程存在壁垒

[1]	黄潇月, 王伟, 凌岚, 张伟贤. 纳米零价铁与重金属的反应:“核-壳”结构在重金属去除中的作用[J]. 化学学报, 2017, 75(6): 529-537.
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[4]	林静容, 王玉春, 许启海, 金荣华, 田伟生. 利用薯蓣皂甙元完整骨架形式合成1α,25-二羟基维生素D₃[J]. 化学学报, 2007, 65(16): 1685-1692.