创新且高效的物理共振活化技术能够几乎完全去除矿物与煤共气化过程中产生的粗渣中的铁元素：其性能与作用机制

《Separation and Purification Technology》：Innovative and efficient physical resonant activation enables near-complete iron removal from mineral-intergrown coal gasification coarse slag: performance and mechanism

　　

袁航 王|窦阳 吴|邢子 吴|范莉 方勤 程|向涛 赫|闵国|梅 张

北京科技大学先进冶金国家重点实验室，中国北京 100083

摘要

物理共振活化（PRA）是一种新型的、环保的、有效的物理方法，用于提高固体废物的反应性。当应用于煤气化粗渣（CGCS）以合成基于渣的多孔材料时，PRA有效地释放了被包裹的不溶性含铁相，使铁的去除效率从67.8%显著提高到99.1%。采用先进的表征技术，特别是穆斯堡尔光谱和矿物解离分析，系统地阐明了PRA驱动的CGCS微观结构演变和含铁相转变的机制。结果表明，PRA引起的机械应力局部破坏了非晶态铝硅酸盐玻璃网络，伴随着玻璃态铁的重新分布及其随后重结晶为氧化铁。定量分析显示，PRA将玻璃相的比例从92.50%降低到84.15%，并将与玻璃相相关的富铁相（赤铁矿）和磁铁矿的比例分别降低了10.59%、9.22%和18.24%。因此，CGCS中的包裹铁相有效地从玻璃基质中释放出来，从而实现了几乎完全的铁去除。基于这些机制洞察，建立了一种简单高效的基于PRA的预处理策略，为其他具有复杂矿物组合的难利用固体废物提供了一种新的活化途径。

引言

物理共振搅拌是一种新型的混凝土混合技术，广泛应用于提高混凝土的性能和质量[1]、[2]、[3]。在该过程中，将振动激励器集成到传统的静态混合系统中，高频低幅度的振动以应力波的形式持续向材料传递机械能。这种额外的能量输入有效地破坏了水泥颗粒的团聚，促进了更完全的水化，从而提高了最终混凝土的整体性能[4]。最近关于振动和振动耦合混合系统的研究表明，高频弹性波可以有效打破颗粒团聚体，改变界面过渡区，并改善反应过程[5]、[6]。我们之前的工作进一步证明，物理共振搅拌显著提高了低热值粉煤灰和锅炉渣的反应性，使得人工石的28天抗压强度比传统静态搅拌提高了45.22%[7]。这些发现表明，物理共振搅拌可以显著影响颗粒系统中的颗粒分散和界面相互作用。

物理共振活化（PRA）是从物理共振搅拌衍生出的一种新开发的机械活化方法，基于共振振动。与传统的高能活化方法（如球磨）不同，后者依赖于强烈的研磨和颗粒尺寸减小[8]、[9]，PRA通过高频振动将机械能引入材料内部结构，无需使用研磨介质，并且在活化过程中不会产生二次固体、液体或气体废物，因此是一种环保的活化方法。与传统机械活化方法相比，PRA是一种较为温和的活化方法，可能为活化低反应性的无机固体废物提供有效途径。然而，其对于惰性矿物基固体废物的适用性及其相应的活化机制仍不清楚，需要进一步研究。

煤气化渣（CGS）是煤气化过程中产生的典型惰性固体废物，煤气化是一种在高温条件下将煤部分转化为气态产物的热化学转化过程[10]、[11]、[12]。CGS由煤气化细渣（CGFS）和煤气化粗渣（CGCS）组成[13]、[14]、[15]。在这些残渣中，CGCS约占CGS总量的80%，其特征是颗粒尺寸粗大、矿物组成复杂，以及玻璃基质和结晶相之间普遍存在共生[16]、[17]、[18]。这些特性严重阻碍了相分离和活化处理，使得CGCS特别难以利用。因此，开发有效的、可扩展的CGCS利用途径是一项紧迫且优先级高的研究任务。

尽管CGCS的反应性有限且难以处理，但其高含量的Si、Al和C为资源利用提供了基础[19]、[20]。因此，CGS已被探索用于多种应用，包括建筑材料[21]、[22]、[23]、残余碳利用[24]、[25]、[26]、环境修复[27]、[28]以及多孔材料[29]、[30]、[31]。其中，由CGCS衍生的多孔材料在气体吸附、催化和废水处理方面特别具有潜力[32]、[33]、[34]、[35]、[36]。然而，它们的性能受到杂质元素（如Fe和Ca）的严重限制，这些杂质通常被包裹在非晶态铝硅酸盐网络中或与玻璃相紧密共生在CGCS中。这些杂质相降低了产品纯度并阻碍了孔隙的发展，从而影响了材料的纯度和性能[37]、[38]。尽管广泛采用酸浸法去除杂质[39]、[40]，但在强矿物酸的优化条件下，铁的去除效率通常仍低于70%[41]、[42]、[43]，主要是由于含铁相在非晶玻璃基质中的强烈包裹[44]、[45]。因此，需要有效的预处理策略来削弱玻璃-矿物共生并增强浸出前的杂质暴露。

为了解决这些挑战，PRA被认为是一种潜在的预处理策略，可以克服CGCS的固有结构限制[46]、[47]。尽管基于共振振动的处理在其他颗粒系统中显示出前景，但它是否能够有效作为CGCS中杂质去除的活化预处理方法仍不确定。此外，PRA对CGCS的微观结构演变、相解离和杂质转变的影响仍不甚清楚，需要系统研究。

在这项研究中，PRA被作为一种绿色且高效的基于共振振动的预处理策略来提高CGCS中铁的去除效率。采用了一系列综合技术，包括扫描电子显微镜结合能量色散光谱（SEM-EDS）、X射线光电子光谱（XPS）、穆斯堡尔光谱、电子顺磁共振（EPR）、矿物解离分析（MLA）和X射线衍射（XRD），从微观结构变化、局部磁/电子环境演变、配位结构重建和矿物相转变的角度系统地阐明了其作用机制。这项工作有望为其他具有复杂矿物组合的惰性固体废物的资源利用提供指导性的机制洞察和实用的活化方法。

章节片段

材料与试剂

本研究中使用的煤气化粗渣（CGCS）来自中国山西省的一家煤气化厂。分析级盐酸购自中国医药化学试剂有限公司。所使用的物理共振活化（PRA）设备型号为DT15ZBW，其关键操作参数（包括共振频率、振幅、共振强度和振动电机功率）列于表S1中。

CGCS的PRA预处理

在PRA之前，CGCS在105°C下进行干燥

原始CGCS的表征

煤气化粗渣（CGCS）的化学成分和灼烧损失（LOI）见表1。结果表明，CGCS主要由二氧化硅（SiO₂）、氧化铝（Al₂O₃）和氧化钙（CaO）组成，总含量超过70%（wt%），同时还含有相当量的氧化铁（Fe₂O₃，计算为SO₃）以及微量的碱金属（K、Na）和过渡金属（Mg、Ti）氧化物。相对较高的LOI表明

结论

在这项研究中，提出并评估了一种新型的物理共振活化（PRA）预处理方法，用于提高煤气化粗渣（CGCS）中铁的去除效率。通过整合多种表征技术，阐明了PRA驱动的含铁相演变过程及其相应的铁去除机制。主要结论如下：

(1)

PRA破坏了非晶态玻璃网络，释放了被包裹的玻璃态铁，并将其转化为

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（U24A20555）的支持。