综述：通过地质聚合物化实现煤矸石资源化利用：揭示趋势、差距和循环经济见解

《Sustainable Chemistry One World》：Resource utilization of coal gangue through geopolymerization: Unraveling trends, gaps, and circular economy insights

本综述首次系统梳理了2008年至今煤矸石（CG）地质聚合物（GP）研究进展，通过文献计量学分析揭示了该领域的发展脉络、核心议题（如活化预处理、重金属固化）与循环经济潜力，为利用这种大宗工业固废开发低碳建材（碳足迹180–404 kg CO2-eq/吨粘结剂）提供了关键见解与未来方向。

　　

引言

煤炭的密集使用不可避免地产生大量废弃物。煤矸石（Coal Gangue, CG）作为采煤和洗煤过程的副产品，约占开采煤炭总量的10%–30%，是中国、印度、俄罗斯等主要产煤国最大的工业固体废物之一。堆存的CG会引发自燃、滑坡等地质灾害，并因含有黄铁矿（FeS₂）和残留煤等可燃成分，释放温室气体（CO₂, CH₄）和有毒气体（CO, SO₂, H₂S, NO_x），加剧空气污染与气候变化。其未燃烧颗粒还是多环芳烃（PAHs）的重要环境来源，这些物质具有毒性、致突变性和致癌性。CG堆场产生的颗粒物（PM₁₀, PM_2.5）进一步恶化矿区空气质量，增加健康风险。降水淋溶则导致酸性矿山排水（AMD），促使砷（As）、铅（Pb）、镉（Cd）、铬（Cr）、锰（Mn）、铜（Cu）、镍（Ni）、锌（Zn）等重金属释放并迁移，污染周边土壤、地下水及农作物。这些严峻问题凸显了开发创新CG处理技术的迫切性。

地质聚合物化（Geopolymerization）为CG资源化提供了可行路径，能将这一采矿副产品转化为可持续建材，契合循环经济（通过废物增值、资源效率、工业共生）的核心原则。CG因其富含铝硅成分，可在强碱（NaOH或KOH）环境中反应形成Si–O–Al–O聚合物骨架。尽管CG矿物反应活性较低，但研究表明通过合理的原料预处理（如热活化、化学活化、物理活化）与工艺参数设计，可制得力学与物理性能满足要求的CG基地质聚合物（GP）。地质聚合过程中的固化/稳定化作用能通过无定形反应产物的化学吸附与离子交换有效固定污染物。此外，固废衍生GP的碳足迹较低（约180–404 kg CO₂-eq/吨粘结剂），能耗需求适中，有利于资源节约与环境保护。

研究意义与方法

尽管大量实验研究证实CG可作为地质聚合物生产的骨料或前驱体，但全球研究格局仍缺乏整合性概述。本研究通过Scopus数据库检索（主题词：coal gangue geopolymer），筛选出截至2025年3月的136篇相关文献，运用VOSviewer进行可视化分析，追踪领域演进、标志性成果、核心期刊与高被引文献，量化主要研究者、机构与国家的贡献，并揭示国际合作模式。关键词聚类进一步厘清了主导研究主题、新兴重点与当前趋势。

出版物特征与年度趋势

分析显示，相关研究主要集中在近四年，总被引2866次，涉及160位作者，其中112篇为英文文献。文章类型以期刊论文为主（约86%），学科分布集中于材料科学（30.5%）、工程学等领域，反映其多学科交叉特性。

近期进展

近两年研究成果表明，CG基地质聚合物的研究已从基础反应活性提升快速推进至应用导向的复合材料设计，证实其作为波特兰水泥等传统胶凝材料的可持续替代潜力。关键进展包括：通过热活化（如煅烧）、机械研磨（物理活化）及碱熔等预处理手段有效提升CG反应活性；优化配合比设计（如掺入矿渣、粉煤灰等辅助胶凝材料）以改善工作性与力学性能；深入探究重金属（As、Pb、Cd、Cr等）在地质聚合物基质中的固化机制与浸出行为，评估其环境风险；开发具有良好耐久性（如抗硫酸盐侵蚀、抗冻融）的CG基复合材料，并探索其在路面基层、墙体材料等实际工程中的应用可行性。

未来研究趋势

未来研究需重点解决CG成分异质性及重金属存在带来的挑战。需系统评估其浸出行为与生态风险，推动实验室成果向规模化应用转化。加强反应机理（尤其是微观结构演化与污染物固定机制）的基础研究，优化活化工艺以降低能耗与成本，并开展全生命周期评价（LCA）以量化其环境效益。促进跨学科合作与国际知识共享，将是推动该领域发展的关键。

研究局限性

本研究基于Scopus数据库的文献计量分析，可能遗漏未被该库收录的相关研究（如区域文献库或非英语出版物）。分析范围聚焦CG在地质聚合物中的应用，未详尽涵盖其所有资源化途径。方法论选择（如关键词检索策略、软件工具）也可能影响结果呈现。

结论

通过对136篇文献的系统分析，本研究清晰展示了煤矸石地质聚合物领域的研究现状、演进趋势与核心挑战，指出了未来探索的优先方向（如针对成分变异性的适应性策略、长期环境行为监测、工艺优化与标准化），为学术界与工业界推动CG的高值化资源利用提供了 actionable 的指导。该技术路线不仅有助于消纳大宗工业固废，降低环境负荷，也为开发低碳建筑材料、支撑循环经济转型提供了重要技术选项。