中国粉体网讯 煤矸石是采煤和洗煤过程中排放的固体废物，是在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石。据统计，我国目前煤矸石累计存量达70亿t以上，还仍以3.0～3.5亿t/a的速度增加。煤矸石堆积要占用大量土地，对环境的污染也十分严重，因此合理利用煤矸石迫在眉睫。
煤矸石
2019年1月，国家发改委、工信部曾联合发布《关于推进大宗固体废弃物综合利用产业集聚发展的通知》，鼓励煤矸石多元素、多组分梯级利用，推进煤矸石高值化利用，提取有用矿物元素，重点研发煤矸石生产农业肥料、净水材料、胶结充填专用胶凝材料等高附加值产品。
目前，利用煤矸石的方式逐渐多样化，但大多数都附加值比较小，且利用率不高，如生产水泥、砖、沸石和肥料等。为了实现煤矸石高值化应用，在保温隔热、吸附分离、光电催化、吸声隔音、储能转换等领域有广阔前景的气凝胶材料，“顺理成章”的成了研究目标。煤矸石的主要化学成分为SiO2、Al2O3和Fe2O3等，其中SiO2和Al2O3两种化学成分的占比最高，很多可达到60%以上，是一种宝贵的硅铝原材料，用来生产SiO2和Al2O3气凝胶，经济价值巨大。
不同煤矸石的化学成分
1煤矸石制备气凝胶
（1）煤矸石预处理
煤矸石成分复杂，在综合利用之前要经过预处理，否则会增加企业经营成本，或导致原料性质多变，影响产品质量。对煤矸石进行集中分类处理，将煤、煤矸石、岩石和废土进行分离，为企业提供专业化、标准化和稳定的原材料，实现资源的高水平利用。
煤矸石预处理工艺流程
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（2）工艺分类
目前，以煤矸石为原料制备气凝胶的工艺主要分为两种：
第一种：煤矸石碱溶活化后，一步溶出法制备SiO2-Al2O3复合气凝胶。
一步溶出法
第二种：煤矸石煅烧活化后，经过酸浸碱溶两步溶出法提取硅溶液来制备SiO2气凝胶。
两步溶出法
刘维海等以煤矸石作为单一硅源，通过试验提出了酸碱一步催化法，来制备超疏水二氧化硅气凝胶。制备出的疏水SiO2气凝胶具有高的比表面积和较好的介孔特征。气凝胶的表观密度为0.04g/cm3，气凝胶的疏水角高达144.8°。该技术为煤矸石的综合利用提供了一种有效途径，有利于促进煤炭行业的绿色发展。
（3）活化以及硅铝成分浸出
煤矸石中的高岭石等含硅铝的矿物成分非常稳定，不经活化处理难以被直接利用。目前常见的活化处理方法有：煅烧活化和碱熔活化。
对煤矸石进行煅烧处理，采用酸碱两步溶出法对煤矸石中硅铝等化学成分有效溶出，可以得到酸性的富铝溶液和碱性的富硅溶液。若加入NaCO3、K2CO3和NaOH等活化试剂，经过煅烧活化处理之后，活化试剂与高岭石等反应生成相应的霞石类矿物，硅铝成分能直接被溶出。
（4）溶液除杂
煤矸石经过煅烧活化或碱熔活化之后浸出，不仅Si和Al大量溶出，杂质离子Fe、Ca、Mg、K、Na和Ti等也在酸浸后大量溶出，很大程度上影响了后续凝胶的制备以及气凝胶的性质等。容易去除的杂质，通过水洗或溶剂置换等方式可去除。难以去除的杂质，使用离子液体萃取和离子交换树脂等方式可快速高效地去除，但是价格比较高昂。
（5）工艺对比
近年来，以煤矸石为源已成功制备出性能良好的SiO2气凝胶和SiO2-Al2O3气凝胶。对煤矸石中的硅铝成分进行有效提取之后，通过溶液凝胶处理、老化、改性和干燥等手段，使得凝胶中的液体被空气取代后得到最终成品气凝胶。
其中，两步溶出法制备气凝胶工艺成熟，对设备损耗低，可满足工业大规模生产的要求，但制备的多为单元SiO2气凝胶，且无法在600℃以上稳定使用。一步溶出法制备可以得到SiO2-Al2O3复合气凝胶，在更高温度下使用，同时一步法在碱溶煅烧时也对设备提出了更高的要求。
2产学研动态
（1）项目动态
2022年4月20日，六盘水市人民政府向社会推荐“钟山产业园区煤矸石制备二氧化硅气凝胶保温材料项目”。《钟山区“十四五”规划纲要》提出，要培育发展新兴产业优势集群，围绕煤矸石衍生产业，加快煤矸石高端产业化利用。
钟山区煤矸石呈现高铁、高钛等重要特征，有条件发展煤矸石提取硅、铁、钛有价元素等新材料产业；适宜要重点推进煤矸石造纸、煤矸石生产有机生物肥料、煤矸石生产微米级陶瓷空心微珠、煤矸石煅烧生产高岭土、煤矸石制造无机纤维、煤矸石制造铝硅铁合金、气凝胶材料等项目建设。
（2）研究进展
朱平华等以废弃物煤矸石为原料，首先采用湿法工艺提取SiO2制备硅酸钠溶液，然后结合"多相复式非连续生产工艺"快速制备出疏水性SiO2气凝胶，研究了不同体积取代率下（0、60%、70%、80%、90%、100%）水泥砂浆的物理和力学性能。
结果表明：煤矸石中SiO2产率高达92.2%，疏水性SiO2气凝胶纯度可达98.96%，孔隙分布均匀，密度约为240kg/m3；气凝胶水泥砂浆具有较小的导热系数和较好的疏水性，当气凝胶的取代率为100%时，导热系数达到0.127W/（m·K）。该研究为煤矸石高效高附加值资源化利用指明了一条途径。
刘博等以兖州煤矸石为原料，经过低温焙烧，酸浸除杂，碱熔活化，采用溶胶-凝胶法和真空干燥法制备完整的块状SiO-AlO二元复合气凝胶。
实验结果表明，煤矸石经过酸浸除去了大部分的铁，钾，碱土金属等杂质。在经过碱熔活化后，煤矸石主要组分石英和高岭石均转化为非晶态，反应活性提高。制备得到的SiO-AlO气凝胶是以Si-O-Si，Si-O-Al网络结构为骨架的非晶态纳米颗粒聚集体，其堆积密度0.37 g/cm3，比表面积483m2/g，平均孔径10.29nm，最小孔径9.32nm，具有较好的介孔特征。
结语
我国煤矸石资源丰富，各地区煤矸石的矿物组成和化学成分等性质也各有不同，必须要在全面了解煤矸石特性的基础上，通过选矿提纯、超细粉碎、表面改性等手段，有目的性和针对性的进行精细加工，才能真正实现煤矸石的高附加值综合利用，为企业带来良好的经济效益和社会效益。
参考文献：
郝名远，等：煤矸石制备气凝胶研究进展，太原理工大学
刘博，等：用废弃煤矸石制备高比表面积的SiO2-Al2O3二元复合气凝胶，化工学报
郑旭欢，等：致力推进煤矸石高值化利用，中国建材报
朱平华，等：煤矸石基SiO2气凝胶及其砂浆的性能评价，常州大学环境与安全工程学院
杜恒，等：煤矸石处置与综合利用研究，中国冶金地质总局
（中国粉体网编辑整理/昧光）
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