微波一步法制备自燃煤矸石磷酸活化泡沫：高效构建轻质隔热材料新策略

针对煤矸石堆积引发的环境与健康风险，俄罗斯研究团队创新性开发微波一步法制备磷酸活化煤矸石泡沫材料。通过调控H3 PO4 浓度（10–14 M）、微波参数（600–1000 W, 7.5–12.5 min）等，获得导热系数0.133 W/mK、抗压强度10.2 MPa的优质材料，为建筑隔热领域提供可持续解决方案。

　　

煤矸石作为煤炭开采的副产品，全球年产量高达10亿吨，其堆积不仅侵占土地，更因自燃释放PM_2.5
和有毒气体（SO₂
/NO_x
）严重威胁生态环境。传统处理方法如烧结陶瓷需高温（>1200°C）且能耗高，而碱激发地质聚合物（geopolymer）虽能降低碳排放，但机械强度普遍低于5 MPa。如何实现煤矸石高值化利用，成为矿业与环境科学交叉领域的重大挑战。

俄罗斯Rostov地区的研究团队在《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》发表突破性成果，首次采用微波辅助磷酸活化技术，将自燃煤矸石转化为高性能泡沫材料。该研究通过X射线显微CT（micro-CT）和扫描电镜（SEM）证实，在14 M H₃
PO₄
、1000 W微波处理10分钟条件下，材料形成均匀多孔结构，其0.133 W/mK的导热系数优于传统煤矸石泡沫（0.1968 W/mK），10.2 MPa的抗压强度更是达到碱激发材料的3倍。

关键技术包括：1）微波参数优化（功率600-1000 W，时间7.5-12.5 min）；2）磷酸浓度梯度设计（10-14 M）；3）液固比（L/S）调控（0.425-0.525）；4）后固化温度影响分析（25-115°C）；5）采用俄罗斯Gukovo地区自燃煤矸石为原料。

研究结果揭示：
• 机械性能：14 M磷酸浓度使抗压强度提升536%（1.1→7.0 MPa），L/S=0.475时达峰值10.2 MPa。
• 热学特性：微波功率1000 W时导热系数最低（0.133 W/mK），孔隙率与碱激发泡沫相当（67.3%）。
• 微观结构：SEM显示磷酸活化形成[AlO₄
]^5?

• [PO₄
  ]^3?
  三维网络，比碱激发的-Si-O-Al-结构更致密。
  • 环境效益：相较普通硅酸盐水泥（OPC），该工艺可减少90.6%碳排放，能耗降低90.6%。

这项研究开创了煤矸石资源化利用的新范式：通过磷酸活化与微波技术的协同效应，在10分钟内完成传统工艺需数小时的反应过程。其材料性能不仅满足建筑隔热标准（EN 12667），更为矿山生态修复提供“以废治废”的新思路。未来通过规模化验证，该技术有望成为工业固废高值化利用的标杆方案。