废物”煤矸石可以做陶瓷的原料

煤矸石是煤炭开采过程中形成的废弃物，其碳含量较低，且干基灰分超过50%，其年产量约占煤炭开采量的15%~20%，有的地方甚至达到30%~40%，占中国工业废弃物排放量的25%。按我国原煤年产量35亿~40亿t计，煤矸石年排放量至少在5~8亿t，已成为世界上最大的固体废弃物之一。据统计，我国现有煤矸石在70亿t以上，而且这个数字还在以较快的速度增长......

 

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，很多煤矸石山在常温环境下会发生自燃，释放出大量NO_x、SO₂等气体，不仅污染了空气，还影响了居民的生活。而且，煤矸石经风化后，锰、铬、硒、镍、砷等多种微量元素会散布到环境中，进而污染环境和地下水，对周边生态系统造成了严重破坏。因此，开发煤矸石绿色高效利用途径，尽量避免其对生态环境造成不良影响，是我国煤炭行业亟待解决的问题。
1.煤矸石特性

（1）矿物组成
煤矸石中的矿物种类有：
a.铝土矿，主要组成为一水铝石和三水铝石，煤矸石中Al₂O₃含量>40%；b.硅酸盐类矿物，主要组成为石英、正长石和普通辉石，其中石英含量最高；c.黏土矿物，主要组成为蒙脱石、高岭石和水白云母，占比最大的SiO₂和Al₂O₃在煤矸石中的含量分别为40％～70％与15％～30％；d.碳酸盐类矿物，主要组成为方解石、白云石与菱铁矿。
（2）化学组成
煤矸石的化学组成主要为SiO₂和Al₂O₃，SiO₂含量在30％～60％之间，Al₂O₃含量在20％～40％之间，Fe₂O₃和CaO的含量之和普遍低于10％。但是，以高岭土为主要组分的煤矸石，Al₂O₃含量可以达到40％。高铝煤矸石（Al₂O₃含量>30%）主要集中于我国西北地区的矿区，我国北方部分矿区煤矸石的化学组成见下表。

 

综上所述，煤矸石中含有大量的SiO₂和Al₂O₃，而这些化合物又是常用的陶瓷生产原料，煤矸石本身也具有大量微孔和较高的比表面积。因此，完全可以利用煤矸石来制备机械强度高、耐酸碱腐蚀以及寿命长等具有优异性能的陶瓷等材料。

2.制备陶瓷粉体材料

（1）、提取氧化铝

在实现煤矸石的综合利用时，铝硅资源的回收利用是不可忽视的一部分。我国大部分煤矸石中高岭土含量丰富，活性易于激发，可从中提取氧化铝，以降低我国铝土矿资源的对外依存度，实现煤矸石的高值化利用。煤矸石提取氧化铝分为酸法和碱法。

酸法一般采用硫酸或盐酸作为浸取剂，在特定温度下酸浸煤矸石，煤矸石中的氧化铝与酸反应得到铝盐溶液，浸出煤矸石中的Al³⁺，留下不与酸反应的非晶态SiO₂，从而实现硅铝分离，滤渣经除杂纯化后得到氧化铝。酸法主要包括硫酸法、盐酸法与硫酸铵法；碱法类似铝土矿烧结法，即利用氢氧化钠、生石灰等碱类或石灰石、碳酸钠等碱性原料在一定条件下与煤矸石混合高温焙烧，使其中的铝单独分离出来。
（2）、氧化铝－碳化硅粉体材料

氧化铝－碳化硅粉体是一种常用的具有优良特性的材料，研究发现：将氧化铝-碳化硅复相粉体加入到含碳耐火材料中显著提高了含碳耐火材料的抗氧化性，并且抗渣铁侵蚀能力和抗渗透性能也得到了显著的提高。另外，添加Al₂O₃-SiC复相粉体的炮泥的抗渣性能良好，抗折性能也有所提高。

采用煤矸石和碳质材料（活性炭、炭黑、无烟煤等）为原料，采用碳热还原法成功制备出高性能低成本的氧化铝-碳化硅粉体，可在工业生产中使用，提高煤矸石的利用率。
（3）、赛隆粉体材料
赛隆是由铝、氧原子部分置换Si₃N₄中硅原子和氮原子的基础上形成的一大类固溶体的总称，可分为β－Sialon、α－Sialon和O’－Sialon等。赛隆材料具有高硬度、高耐火度、高韧性、低膨胀性和良好耐热稳定性等性能，现已成为最具潜力的高性能陶瓷材料之一。由于利用纯原料(如Si₃N₄、Al₂O₃、SiO₂等)制备赛隆材料成本较高，制备工艺也较为复杂，不宜于工业生产。煤矸石作为大宗废弃物，其中富含大量的Al₂O₃和SiO₂，因此利用煤矸石制备赛隆及其复合材料，不仅可以使煤矸石得到综合利用，也可以减少天然资源的消耗。

3.制备致密陶瓷材料

（1）、致密莫来石及其复合材料
莫来石(3Al₂O₃·2SiO₂)是一种优质的耐火材料，其中w(Al₂O₃)=71．8%，w(SiO₂)=28．2%。莫来石具有致密度高、抗热震性好、抗蠕变性好、膨胀系数低、化学成分稳定等特点。在我国天然的莫来石储量较少，大部分莫来石都是采用人工合成的办法。利用煤矸石配入Al₂O₃等辅料，经过高温煅烧反应可以制备出性能优良的莫来石及莫来石复合材料。我国就煤矸石制备莫来石及其复合材料的研究也取得了一定的进展。
（2）、致密赛隆及其复合材料

房现阁等以高铝煤矸石、铁精矿粉、焦炭粉为原料，采用碳热还原氮化法在1400～1550℃保温4h条件下制备出Fe-Sialon复相致密材料，研究发现：焦炭量超过10%、在1500℃下保温4h制备的Fe-Sialon致密材料晶粒分布最均匀，使用性能最好。
岳昌盛等以酸洗后的煤矸石基β-Sialon粉、铝粉、硅粉及α-Al₂O₃粉为原料，利用二次氮化法制备出β-Sialon及β－Sialon/SiC致密陶瓷材料。研究发现：增加Al、Si的含量可以提高材料的体积密度和抗折强度，显气孔率得以下降。
（3）、合成耐磨氧化铝陶瓷

氧化铝陶瓷在煤炭、电力、矿山和水泥设备及工件中的耐磨部位具有极其重要的作用。田修营等利用煤矸石制备了氧化铝耐磨陶瓷，对产品的密度、硬度、断裂韧性和耐磨性能等进行了测试。结果表明：煤矸石取代量为30wt％，烧结温度为1400℃时，烧结完好，样品外形美观，无斑点。3.4cm³/g，洛氏硬度为82，断裂韧性可达3.62MPa·m^1/2，磨耗为0.247g/kg·h。

4.制备多孔陶瓷材料

（1）、多孔莫来石陶瓷材料

多孔莫来石材料广泛应用于冶金、陶瓷、玻璃和化工等领域，但用于合成多孔莫来石的原料成本较高，制备工艺较为复杂。因此，如何利用廉价资源合成莫来石已成为耐火材料领域重要研究方向之一。由于煤矸石中含有大量的氧化铝和二氧化硅，这是制备多孔莫来石的主要原料。并且煤矸石中含有的氧化钙、氧化镁等氧化物，在烧结陶瓷的过程中低温时可以快速的产生液相，也可缩短烧结时间，降低烧结温度，这也为煤矸石制备多孔莫来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温、耐酸碱、热膨胀系数低和抗压强度高等特点，因此，广泛应用于冶金、陶瓷、玻璃等行业的窑炉材料中。煤矸石很适合制备多孔堇青石陶瓷，而且煤矸石中有机质也可在烧结过程中起到造孔的作用，在堇青石陶瓷生坯中占据一定体积，高温烧结后会留下孔隙，有利于提高多孔堇青石陶瓷的显气孔率。因此，完全可以利用煤矸石来制备气孔率较高、导热系数低、抗热震性能优异的多孔堇青石陶瓷材料。