CN110699040A - 一种利用煤矸石制备复合微波吸收材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用煤矸石制备复合微波吸收材料的方法，属于微波吸收材料技术领域。技术方案为：首先对煤矸石进行球磨、筛分处理，得到煤矸石粉，通过添加络合剂、粘结剂和金属盐离子溶液形成均匀稳定的料浆，接着将料浆经过喷雾干燥工艺得到煤矸石基微粉，然后经原位碳热还原处理获得负载系列磁性组分的复合微波吸收材料。本发明方法以固体废弃物煤矸石为原料，实现了煤矸石的有效回收利用，节约资源和成本；同时，本发明所述的原位喷雾干燥‑负载工艺可以保证负载物均匀地分散于煤矸石颗粒载体上，且操作过程简便，易于实施，适合于规模化工业生产应用。

Description

一种利用煤矸石制备复合微波吸收材料的方法

技术领域

本发明属于微波吸收材料制备工艺技术领域，具体涉及一种利用煤矸石制备复合微波吸收材料的方法。

背景技术

随着现代电子信息技术的迅猛发展，越来越多的电子设备成为了我们生活和工作中必不可少的重要工具，它们广泛的应用在军事领域（雷达）和民用领域（计算机、导航、通讯、电器设备），为社会的进步和发展作出了巨大的贡献。与此同时，人们也面临着日益严重的电子设备辐射问题。当今社会，电磁波辐射是继水污染、空气污染、噪声污染之后的新的污染源，它不仅会对通讯进行干扰，而且严重危害人类的健康。

煤矸石是一种工业固体废弃物，在煤炭开采，洗选和加工过程中产生，占煤炭总量的10％-25％。在我国，煤矸石的年排放量约为2.8亿吨，已成为排放和积累中最大的固体废物之一。同时，煤矸石的不适当储存和处置可能对周围土壤和地下水造成严重的环境污染，并对人类健康和生态系统构成严重威胁。因此，回收这些废物一直是岩土工程和环境工程师面临的一项挑战。然而，煤矸石是一种可利用的资源，可以代替燃料发电，生产氯化铝，水玻璃等化学产品。但由于生产成本高，利润低，以这种方式利用煤矸石尚未得到推广。目前，煤矸石主要用于发电，农业肥料，公路路基，砖生产，水泥生产和混凝土生产。因此，找到合适的煤矸石利用方法已成为研究的重点。

鉴于上述，如果能将煤矸石回收利用制备微波吸收材料，不仅可以消除因煤矸石排放、堆积引起的污染，而且经济效益与社会效益显著，更重要的是为固体废弃物的综合利用提供新思路。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，解决因煤矸石排放、堆积引起的污染问题，将煤矸石回收利用制备微波吸收材料，本发明提供一种利用煤矸石制备复合微波吸收材料的方法。

本发明通过以下技术方案予以实现：

一种利用煤矸石制备复合微波吸收材料的方法，包括以下步骤：

S1、将煤矸石球磨后经100~300目标准筛进行筛分，筛选出的煤矸石粉在80~100℃条件下干燥3~4小时，干燥后制得的煤矸石粉留待后步使用；

S2、配制浓度为0.5~2 mol/L的盐溶液留待后步使用，所述盐溶液为含有Fe³⁺、Co²⁺、Ni²⁺中的一种或者两种的盐溶液，或者为含有Fe³⁺–Mn²⁺的盐溶液；

S3、将步骤S1干燥后的煤矸石粉和六偏磷酸钠加入蒸馏水中并搅拌1~2小时，然后将步骤S2制备的盐溶液加入混合液中，在室温条件下继续搅拌2~3小时，制得浆料，浆料中煤矸石粉、六偏磷酸钠、蒸馏水及盐溶液的质量比为2：0.15：3：4~6；

所形成的料浆内煤矸石微粉均匀分散在其中，六偏磷酸钠则是与金属盐离子形成稳定的络合离子化合物，并附着在煤矸石颗粒表面，阻止了金属离子的水解作用；同时，由于煤矸石微粉自身的可塑性使得料浆具有一定的粘度，从而即保证了料浆中各组分的均匀稳定；

S4、将步骤S3所得浆料通过喷雾干燥机进行喷雾干燥处理，得到煤矸石基复合粉末，其中喷雾干燥机工作参数为：进口温度200℃，出风温度100℃，进料速度为60 mL/h，雾化器压力为10 MPa；

S5、将步骤S4制得的煤矸石基复合粉末置于管式炉中，在惰性气体气氛下经400~900℃恒温烧结2~3小时后随炉冷却至室温，制得复合微波吸收材料；

喷雾干燥工艺后，料浆内的水分充分脱除，得到了复合物粉体，其基体为煤矸石颗粒，而金属盐离子前驱体经过喷雾干燥初步分解后则是均匀沉积于煤矸石颗粒表面及孔隙内部，后续再于惰性气氛下还原处理即可得到各类磁性组分，而且磁性组分都是在煤矸石颗粒上被煤矸石成分中的固定碳成分（约为20 wt%）经原位碳热还原反应生成的，因此得到的复合吸波材料在组成及结构上都是均匀一致的。此外，经过高温处理后仍有部分留存的固定碳，在磁性组分的催化作用下，其石墨化程度也得到提高，有助于增强复合材料的介电损耗，最终保证了材料具有良好的吸波性能。

进一步地，所制得的复合微波吸收材料具有磁性，磁性组分为单质Fe、单质Co、单质Ni、Fe₃O₄、CoFe₂O₄、NiFe₂O₄、NiCo₂O₄、MnFe₂O₄、FeCo合金、FeNi合金、CoNi合金、FeMn合金的一种或多种。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

（1）本发明所使用的原位喷雾干燥-负载工艺实现了负载物均匀地分散在煤矸石颗粒载体上，相比于传统的化学合成工艺，包括沉淀法、水热法、化学镀及化学气相沉积法，该方法更简单，而且磁性组分的负载效果更优。

（2）本发明所使用的原料煤矸石为固体废弃物，其来源广泛、成本低廉，适合于规模化推广应用。

（3）煤矸石没有经过分离提纯及改性处理，粉碎后直接使用，不受地域、产地限制，真正实现了煤矸石的高效回收利用。

（4）尽管是固体废弃物，但是煤矸石里面仍含有约20 wt%的固定碳，本发明巧妙利用煤矸石的这一特点，在喷雾干燥工艺后的惰性气氛烧结过程（400-900℃）中，这部分固定碳起着还原剂的作用，会将负载于煤矸石载体上的磁性组分前驱体逐步还原生成对应磁性氧化物、金属单质或合金。

附图说明

图1为实施例3中制得的吸波材料的Raman谱图。

图2为实施例4中制得的吸波材料的X射线衍射谱图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术方案、结构特征、所实现的技术效果，以下结合具体实施方式并配合附图详予说明。下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。

实施例1

一种利用煤矸石制备复合微波吸收材料的方法，包括以下步骤：

S1、将煤矸石球磨后经300目标准筛进行筛分，筛选出的煤矸石粉在80℃条件下干燥4小时，干燥后制得的煤矸石粉留待后步使用；

S2、配制浓度为1.5mol/L的含有Fe³⁺的盐溶液留待后步使用；

S3、将步骤S1干燥后的煤矸石粉和六偏磷酸钠加入蒸馏水中并搅拌1.5小时，然后将步骤S2制备的盐溶液加入混合液中，在室温条件下继续搅拌2.5小时，制得浆料，浆料中煤矸石粉、六偏磷酸钠、蒸馏水及盐溶液的质量比为2：0.15：3：4；

S4、将步骤S3所得浆料通过喷雾干燥机进行喷雾干燥处理，得到煤矸石基复合粉末，其中喷雾干燥机工作参数为：进口温度200℃，出风温度100℃，进料速度为60 mL/h，雾化器压力为10 MPa；

S5、将步骤S4制得的煤矸石基复合粉末置于管式炉中，在惰性气体气氛下经600℃恒温烧结2小时后随炉冷却至室温，制得负载Fe和Fe₃O₄的复合微波吸收材料。

实施例2

一种利用煤矸石制备复合微波吸收材料的方法，包括以下步骤：

S1、将煤矸石球磨后经200目标准筛进行筛分，筛选出的煤矸石粉在100℃条件下干燥3小时，干燥后制得的煤矸石粉留待后步使用；

S2、配制浓度为1.25mol/L的含有Fe³⁺–Ni²⁺的盐溶液留待后步使用；

S3、将步骤S1干燥后的煤矸石粉和六偏磷酸钠加入蒸馏水中并搅拌1小时，然后将步骤S2制备的盐溶液加入混合液中，在室温条件下继续搅拌3小时，制得浆料，浆料中煤矸石粉、六偏磷酸钠、蒸馏水及盐溶液的质量比为2：0.15：3：5；

S4、将步骤S3所得浆料通过喷雾干燥机进行喷雾干燥处理，得到煤矸石基复合粉末，其中喷雾干燥机工作参数为：进口温度200℃，出风温度100℃，进料速度为60 mL/h，雾化器压力为10 MPa；

S5、将步骤S4制得的煤矸石基复合粉末置于管式炉中，在惰性气体气氛下经600℃恒温烧结2小时后随炉冷却至室温，制得负载FeNi和NiFe₂O₄的复合微波吸收材料。

实施例3

一种利用煤矸石制备复合微波吸收材料的方法，包括以下步骤：

S1、将煤矸石球磨后经150目标准筛进行筛分，筛选出的煤矸石粉在90℃条件下干燥3.5小时，干燥后制得的煤矸石粉留待后步使用；

S2、配制浓度为1. 5mol/L的含有Fe³⁺–Mn²⁺的盐溶液留待后步使用；

S3、将步骤S1干燥后的煤矸石粉和六偏磷酸钠加入蒸馏水中并搅拌2小时，然后将步骤S2制备的盐溶液加入混合液中，在室温条件下继续搅拌3小时，制得浆料，浆料中煤矸石粉、六偏磷酸钠、蒸馏水及盐溶液的质量比为2：0.15：3：5；

S4、将步骤S3所得浆料通过喷雾干燥机进行喷雾干燥处理，得到煤矸石基复合粉末，其中喷雾干燥机工作参数为：进口温度200℃，出风温度100℃，进料速度为60 mL/h，雾化器压力为10 MPa；

S5、将步骤S4制得的煤矸石基复合粉末置于管式炉中，在惰性气体气氛下经800℃恒温烧结3小时后随炉冷却至室温，制得负载FeMn合金的复合微波吸收材料。

由图1可知，该实施例3制得的复合材料的Raman图谱上有D峰和G峰同时存在，且G峰的相对强度比D峰要高，证明经过碳热还原反应后，生成的FeMn合金可以催化并提高煤矸石内固定碳成分的石墨化度。

实施例4

一种利用煤矸石制备复合微波吸收材料的方法，包括以下步骤：

S1、将煤矸石球磨后经240目标准筛进行筛分，筛选出的煤矸石粉在90℃条件下干燥4小时，干燥后制得的煤矸石粉留待后步使用；

S2、配制浓度为1mol/L的含有Fe³⁺的盐溶液留待后步使用；

S3、将步骤S1干燥后的煤矸石粉和六偏磷酸钠加入蒸馏水中并搅拌1小时，然后将步骤S2制备的盐溶液加入混合液中，在室温条件下继续搅拌2小时，制得浆料，浆料中煤矸石粉、六偏磷酸钠、蒸馏水及盐溶液的质量比为2：0.15：3：6；

S4、将步骤S3所得浆料通过喷雾干燥机进行喷雾干燥处理，得到煤矸石基复合粉末，其中喷雾干燥机工作参数为：进口温度200℃，出风温度100℃，进料速度为60 mL/h，雾化器压力为10 MPa；

S5、将步骤S4制得的煤矸石基复合粉末置于管式炉中，在惰性气体气氛下经500℃恒温烧结3小时后随炉冷却至室温，制得负载Fe₃O₄的复合微波吸收材料。

由图2可知，该实施例4制得的负载物的物相组成为Fe₃O₄，说明在500℃条件下碳热还原处理3小时可以将含有Fe³⁺的前驱物还原得到Fe₃O₄，而图谱中其余衍射峰对应为载体的物相。

实施例5

一种利用煤矸石制备复合微波吸收材料的方法，包括以下步骤：

S1、将煤矸石球磨后经300目标准筛进行筛分，筛选出的煤矸石粉在100℃条件下干燥3小时，干燥后制得的煤矸石粉留待后步使用；

S2、配制浓度为0.5mol/L的含有Co²⁺–Ni²⁺的盐溶液留待后步使用；

S3、将步骤S1干燥后的煤矸石粉和六偏磷酸钠加入蒸馏水中并搅拌1小时，然后将步骤S2制备的盐溶液加入混合液中，在室温条件下继续搅拌3小时，制得浆料，浆料中煤矸石粉、六偏磷酸钠、蒸馏水及盐溶液的质量比为2：0.15：3：5.5；

S4、将步骤S3所得浆料通过喷雾干燥机进行喷雾干燥处理，得到煤矸石基复合粉末，其中喷雾干燥机工作参数为：进口温度200℃，出风温度100℃，进料速度为60 mL/h，雾化器压力为10 MPa；

S5、将步骤S4制得的煤矸石基复合粉末置于管式炉中，在惰性气体气氛下经700℃恒温烧结3小时后随炉冷却至室温，制得负载CoNi合金的复合微波吸收材料。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式，任何熟悉技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种利用煤矸石制备复合微波吸收材料的方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、将煤矸石球磨后经100~300目标准筛进行筛分，筛选出的煤矸石粉在80~100℃条件下干燥3~4小时，干燥后制得的煤矸石粉留待后步使用；

S2、配制浓度为0.5~2 mol/L的盐溶液留待后步使用，所述盐溶液为含有Fe³⁺、Co²⁺、Ni²⁺中的一种或者两种的盐溶液，或者为含有Fe³⁺–Mn²⁺的盐溶液；

S3、将步骤S1干燥后的煤矸石粉和六偏磷酸钠加入蒸馏水中并搅拌1~2小时，然后将步骤S2制备的盐溶液加入混合液中，在室温条件下继续搅拌2~3小时，制得浆料，浆料中煤矸石粉、六偏磷酸钠、蒸馏水及盐溶液的质量比为2：0.15：3：4~6；

S4、将步骤S3所得浆料通过喷雾干燥机进行喷雾干燥处理，得到煤矸石基复合粉末，其中喷雾干燥机工作参数为：进口温度200℃，出风温度100℃，进料速度为60 mL/h，雾化器压力为10 MPa；

S5、将步骤S4制得的煤矸石基复合粉末置于管式炉中，在惰性气体气氛下经400~900℃恒温烧结2~3小时后随炉冷却至室温，制得复合微波吸收材料。

2.根据权利要求1所述的一种利用煤矸石制备复合微波吸收材料的方法，其特征在于：所制得的复合微波吸收材料具有磁性，磁性组分为单质Fe、单质Co、单质Ni、Fe₃O₄、CoFe₂O₄、NiFe₂O₄、NiCo₂O₄、MnFe₂O₄、FeCo合金、FeNi合金、CoNi合金、FeMn合金的一种或多种。

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