煤矸石制备轻质高强陶粒的方法及吸附特性研究

《Crystals》：Research on the Development Method and Adsorptive Characteristics of Lightweight and High-Strength Ceramsite Produced from Coal Gangue

　　

煤矸石长期露天堆存引发显著环境问题，而抗生素污染水体构成全球性健康隐患。传统吸附剂常受限于成本高与脆性大。现有煤矸石基陶粒研究尚未成功将固废再利用与水体污染治理协同结合。研究人员以煤矸石与废电瓷（waste electric porcelain）为主料，掺入2 wt.%碳酸钙（CaCO3）为发泡剂，经梯度加热烧结制备陶粒，系统考察烧结温度与粒径分布对材料性能的影响。结果表明，1400 °C保温15 min所得以莫来石（mullite）为主的陶粒表观孔隙率35.68%、抗压强度10.03 MPa；正态分布粒径模型下，对20.00 mg/L四环素盐酸盐（TCH）30 min去除率7.9%，吸附后强度仅降3.7%。该研究为煤矸石高效利用与含抗生素废水经济处理提供理论框架与实践指导。

研究背景方面，煤炭采选过程产生大量煤矸石，长期露天堆存占用土地并引发自燃释毒、重金属淋溶及滑坡等环境风险；同时煤矸石富含SiO₂与Al₂O₃等硅铝酸盐矿物，具备制备可持续建材的热稳定性与可加工性。另一方面，四环素盐酸盐（TCH）等抗生素因难自然降解、易生物累积，在地下水与地表水中超标，威胁生态与耐药基因传播；现有光催化、膜滤、生物法与化学氧化均存二次污染或效率低等缺陷，吸附法虽优但活性炭等常规吸附剂成本高、再生难。当前煤矸石陶粒多止于固废建材化，未践行“以废治废”并兼顾水处理。为此，研究人员选用煤矸石与废电瓷复合：煤矸石高硅欠铝，废电瓷高Al₂O₃且自带莫来石与刚玉微晶可作异质形核点，调节硅铝摩尔比并降低莫来石形成能垒，构建高强莫来石互锁骨架。该研究发表于《Crystals》。

关键技术方法上，研究人员采用煤矸石（<75 μm）与废电瓷（<75 μm）等质量混合、外掺2 wt.% CaCO₃发泡剂，经盘式造粒成生料球、80 °C干燥10 h后于马弗炉梯度升温（室温→800 °C/10 ℃·min^-1保温10 min→目标温1300~1500 °C/5 ℃·min^-1保温15 min→800 °C/5 ℃·min^-1随炉冷），以X射线荧光（XRF）与X射线衍射（XRD）表征元素及晶相，扫描电镜（SEM）结合能谱（EDS）观察微观形貌与元素分布，依GB/T 17431.2-2010测堆积密度、吸水率、表观孔隙率与抗压强度，并以20.00 mg/L TCH溶液在200 rpm下间隔取样，用紫外-可见分光光度计按朗伯-比尔定律算去除率。

研究结果部分，3.1节通过XRD分析不同烧结温度陶粒物相，指出1300 °C时莫来石、石英、刚玉共存；1300~1500 °C升温过程中莫来石峰强显著增大、石英与刚玉弱化，1400 °C与1500 °C均以莫来石为主晶相，并归纳莫来石形成分脱水解离（室湿~900 °C）、前驱体发育（900~1100 °C生成尖晶石状铝硅酸盐）、形核早长（1100~1300 °C）、生长粗化（1300~1500 °C）四阶段。3.2节SEM与EDS显示陶粒呈球形、孔径主布5~10 μm且右偏分布，1300 °C烧结不全、骨架不清；1400 °C液相密实化、莫来石互锁、孔隙均匀开放；1500 °C晶体完长但大孔连通伴生裂纹，元素分布均一无偏析。3.3节物理性能表明，1300/1400/1500 °C下表观孔隙率33.47%/35.68%/23.49%，抗压强度9.56/10.03/11.65 MPa，吸水率18.74%/20.53%/11.43%，堆积密度1.79/1.74/2.06 g·cm^-3；1400 °C点落于综合指标I=P·S参考线（I=200）上方，获轻质高强最优权衡，故选其作吸附试样。3.4节设正态（A）、细粒偏多（B）、粗粒偏多（C）三种粒径分布模型，对20 mg/L TCH吸附30 min内A模型去除7.9%（20.00→18.43 mg/L）居首，B次之，C最慢；A模型因细粗粒级配成宏-介-微三级孔网、传质阻力最小；吸附前强度10.03 MPa、后9.66 MPa，仅降3.7%，证物理吸附不损莫来石三维骨架。3.5节阐明孔隙膨胀源于600 °C有机质与900 °C CaCO₃分解释CO₂，液相黏度与表面张力包覆气泡成孔，同时液相中铝硅酸盐在莫来石核上溶解-沉淀促晶体互锁承孔；TCH吸附属物理捕获，靠范德华力与氢键作用于表面与内孔，无化学反应。

讨论与结论翻译部分，研究人员得出：（1）煤矸石与废电瓷分别提供66.59 wt.%与80.59 wt.%的SiO₂/Al₂O₃及助熔氧化物，烧结中莫来石经四阶段成连续三维骨架，石英随温升消退。（2）1300~1500 °C内抗压强度由9.56升至11.65 MPa，表观孔隙率与吸水率呈先升后降、堆积密度反向；1400 °C试样表观孔隙率35.68%、抗压10.03 MPa、吸水20.53%、堆积密度1.74 g·cm^-3，归因液相量适中、孔隙匀布与莫来石互锁。（3）正态粒径模型A对TCH 30 min去除7.9%，得益于级配孔网降传质阻、短化粒内扩散距；吸附以物理作用为主，后强度仅损3.7%，饱和陶粒可直接回用作轻质高强骨料（符合GB/T 17431.1-2010），形成“固废制粒-净水吸附-建材复用”全链。该研究佐证以固废复合制备高效吸附陶粒之可行，为煤矸石规模化增值与抗生素废水经济脱除提供新径；后续将优化配料与烧结、表面改性提吸及动态柱实验。