CN113735500A - 一种多孔球形颗粒、制备方法及其在矿山采空区的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于碱性固废的多孔球形颗粒，该多孔球形颗粒表面分布有微孔、介孔和大孔，由骨料、碱性激发剂、表面活性剂、发泡剂和水采用化学发泡法制备而成，其中，骨料由粉煤灰和矿化后的电石渣混合而成，碱性激发剂由水玻璃和氢氧化钠混合而成，表面活性剂中至少含有油酸、十六烷基三甲基溴化铵中的任一种，发泡剂为次氯酸钠溶液。本发明还公开了一种基于碱性固废的多孔球形颗粒的制备方法以及该多孔球形颗粒在矿山采空区的应用。本发明公开的多孔球形颗粒能够对矿山采空区封堵的同时将CO2封存于采空区中，实现了对采空区的充分利用，本发明集碱性固体废物重复利用、CO2减排、矿山灾害防治于一体，具有显著的社会效益与经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及碳中和与矿山安全技术领域，具体涉及一种多孔球形颗粒、制备方法及其在矿山采空区的应用。
背景技术
碳中和目标下亟需发展碳捕集、利用与封存技术，助力减少二氧化碳的排放。目前，研究与应用的封存CO2的地质构造主要包括咸水层、枯竭油气田和不可采煤层等，鲜有针对矿山采空区封存CO2提出相应的工艺与方法。矿山采空区内为破碎的煤岩多孔介质，CO2在采空区中的扩散阻力较小，相较于含油气地层以及煤层封存CO2，利用采空区封存CO2在封存工艺、经济成本等方面具有显著优势。我国煤炭等矿产资源较为丰富，其开采后已经形成了巨大的采空区空间，为CO2的封存提供了海量空间。
现阶段随着工业固废的排放逐年递增，工业固废对土壤、水体和空气产生了严重污染，工业固废中含有大量的碱性工业废弃物，如粉煤灰、电石渣、钢渣等，富含的氧化钙等碱性成分是矿化吸收CO2的理想材料。同时，我国矿山采空区频发诸如煤层自燃以及瓦斯爆炸等灾害，充填采空区、阻止采空区漏风是治理矿山采空区相关灾害的本质措施，因此，亟需提出一种能够矿化并吸附CO2的充填颗粒，实现对矿山采空区的快速封堵，减少矿山采空区灾害的发生。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种多孔球形颗粒、制备方法及其在矿山采空区的应用，采用碱性固体废料制备多孔球形颗粒，利用多孔球形颗粒大量吸附CO2后充填至矿山采空区的多孔煤岩中，基于多孔球形颗粒的架桥作用，实现了对矿山采空区的快速封堵，减少了矿山采空区灾害的发生。
本发明采用以下的技术方案：
基于碱性固废的多孔球形颗粒，所述多孔球形颗粒表面分布有微孔、介孔和大孔，由骨料、碱性激发剂、表面活性剂、发泡剂和水采用化学发泡法制备而成，其中，骨料由粉煤灰和矿化后的电石渣混合而成，碱性激发剂由水玻璃和氢氧化钠混合而成，表面活性剂中至少含有油酸、十六烷基三甲基溴化铵中的任一种，发泡剂为次氯酸钠溶液。
优选地，所述多孔球形颗粒中骨料、碱性激发剂、表面活性剂、发泡剂、水的质量比为1：0.939：(0.01～0.044)：0.045：(0.4～0.7)。
基于碱性固废的多孔球形颗粒的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1，称取一定质量的电石渣粉末和水混合后置于高温高压反应釜的反应器中反应，反应结束后，过滤掉反应器中的废液得到矿化后的电石渣，将矿化后的电石渣置于真空干燥箱中干燥，取出研磨后与粉煤灰相混合得到骨料，将骨料密封备用；
步骤2，称取一定质量的水玻璃和氢氧化钠一起加入至第一烧杯中，对第一烧杯中的混合液体进行搅拌使其充分混合形成碱性激发剂；
步骤3，称取一定量的骨料、表面活性剂、次氯酸钠溶液和水加入至第二烧杯中，将第一烧杯中的碱性激发剂添加至第二烧杯中，充分搅拌后得到发泡浆液；
步骤4，将第二烧杯中的发泡浆液倒入球形模具中进行固化处理，制得基于碱性固废的多孔球形颗粒。
优选地，所述步骤1中，骨料中粉煤灰和矿化后电石渣的质量比为1：(0.82～3)；
所述步骤2中，水玻璃溶液和氢氧化钠的质量比为1:0.11；
所述步骤3中，骨料与碱性激发剂的质量比为1：0.939；骨料与表面活性剂的质量比为1：(0.01～0.044)，表面活性剂由油酸和十六烷基三甲基溴化铵混合而成，其中，油酸和十六烷基三甲基溴化铵的质量比为1：(0～0.42)；骨料与次氯酸钠溶液的质量比为1：0.045，次氯酸钠溶液的浓度不低于12％；骨料与水的质量比1：(0.4～0.7)。
优选地，所述步骤1中，高温高压反应釜的反应压力设置为0.5MPa，反应转速设置为600r/min，反应时长设置为6小时；真空干燥箱的温度设置为80℃，干燥时间设置为8小时；研磨后电石渣的粒度不低于300目。
优选地，所述步骤3中，采用机械搅拌器进行搅拌，机械搅拌器的搅拌时长设置为2min，搅拌转速设置为400r/min。
优选地，所述步骤4中，球形模具的直径为5mm。
基于碱性固废的多孔球形颗粒在矿山采空区的应用，所述多孔球形颗粒采用上述制备方法制得，采用多孔球形颗粒吸附CO2后快速充填矿山采空区。
优选地，采用多孔球形颗粒充填装置将多孔球形颗粒充填至矿山采空区，所述多孔球形颗粒充填装置包括液态CO2源、气态CO2源、液态CO2汽化器、泡沫制备装置和均匀颗粒流体发生装置；
所述液态CO2源、液态CO2汽化器、泡沫制备装置、均匀颗粒流体发生装置通过主管道依次连接后与矿山采空区内部相连通，液态CO2汽化器与泡沫制备装置之间的主管道上依次接入第一支路管道的出气端和第二支路管道的流入端，第一支路管道的进气端与气态CO2源相连接，第二支路管道的流出端与位于泡沫制备装置和均匀颗粒流体发生装置之间的主管道相连通；
所述泡沫制备装置与发泡液配置装置相连接；所述均匀颗粒流体发生装置与多孔球形颗粒储备箱相连接，多孔球形颗粒储备箱的内部储存有多孔球形颗粒，底部设置有定量添加装置；
所述液态CO2源与液态CO2汽化器之间的主管道上设置有第一阀门，液态CO2汽化器与泡沫制备装置之间靠近泡沫制备装置一侧的主管道上设置有第三阀门，泡沫制备装置与均匀颗粒流体发生装置之间的主管道上设置有第五阀门，均匀颗粒流体发生装置与矿山采空区之间的主管道上设置有第六阀门；所述第一支路管道上设置有第二阀门，第二支路管道上设置有第四阀门。
优选地，采用多孔球形颗粒充填装置充填矿山采空区时，可以直接以CO2源作为动力源将多孔球形颗粒充入矿山采空区内部，也可以利用泡沫制备装置产生的气液两项泡沫作为动力源将多孔球形颗粒充入矿山采空区内部；
以CO2源作为多孔球形颗粒充入矿山采空区的动力源时：
若选择气态CO2源，则开启第二阀门、第四阀门和第六阀门，关闭第一阀门、第三阀门和第五阀门，开启气态CO2源，将气态CO2充入均匀颗粒流体发生装置内，再开启定量添加装置，将多孔球形颗粒定量添加至均匀颗粒流体发生装置内，多孔球形颗粒吸附CO2后形成均匀的气固两相流，经主管道注入矿山采空区内，充填矿山采空区；
若选择液态CO2源，则开启第一阀门、第四阀门和第六阀门，关闭第二阀门、第三阀门和第五阀门，开启液态CO2源和液态CO2汽化器，利用液态CO2汽化器将汽化后的CO2充入均匀颗粒流体发生装置内，再开启定量添加装置，将多孔球形颗粒定量添加至均匀颗粒流体发生装置内，多孔球形颗粒吸附CO2后形成均匀的气固两相流，经主管道注入矿山采空区内，充填矿山采空区；
以气液两项泡沫作为多孔球形颗粒充入矿山采空区的动力源时：
若选择气态CO2源，则开启第二阀门、第三阀门、第五阀门和第六阀门，关闭第一阀门和第四阀门，开启气态CO2源，将气态CO2充入泡沫制备装置内，开启泡沫制备装置使得发泡液与气态CO2均匀混合形成气液两项泡沫，气液两项泡沫经主管道流入均匀颗粒流体发生装置中，开启定量添加装置，将多孔球形颗粒定量添加至均匀颗粒流体发生装置内，多孔球形颗粒吸附CO2后形成均匀颗粒流，均匀颗粒流经主管道注入矿山采空区内，充填矿山采空区；
若选择液态CO2源，则开启第一阀门、第三阀门、第五阀门和第六阀门，关闭第二阀门和第四阀门，开启液态CO2源和液态CO2汽化器，利用液态CO2汽化器将汽化后的CO2充入泡沫制备装置内，开启泡沫制备装置使得发泡液与汽化后的CO2均匀混合形成气液两项泡沫，气液两项泡沫经主管道流入均匀颗粒流体发生装置中，开启定量添加装置，将多孔球形颗粒定量添加至均匀颗粒流体发生装置内，多孔球形颗粒吸附CO2后形成均匀颗粒流，均匀颗粒流经主管道注入矿山采空区内，充填矿山采空区。
本发明具有的有益效果是：
本发明提出的多孔球形颗粒制备方法，基于碱性固体废弃物，采用化学发泡法制成，具有简单、快速、成本低、环境友好等优点，本发明方法基于碱性废料能够促进CO2减排的优势，在废料中碱性成分矿化CO2的同时制备得到多孔球形颗粒，多孔球形颗粒既能大量吸附CO2，还能起到架桥作用，实现对矿山采空区的快速封堵，减少了矿山采空区灾害的发生，有利于矿山的安全开采。
本发明既实现了矿山采空区的重复利用，为CO2的封存提供了海量的存储空间，又对矿山采空区进行了封堵，有效避免了矿山采空区灾害的发生，集碱性固体废弃物重复利用、CO2减排、矿山灾害防治于一体，具有显著的社会效益与经济效益。
附图说明
图1为本发明多孔球形颗粒的CO2吸附量随相对压力的变化曲线。
图2为本发明多孔球形颗粒充填装置的示意图。
图3为本发明多孔球形颗粒充填效果验证装置的示意图。
图中：1、液态CO2源，2、气态CO2源，3、液态CO2汽化器，4、泡沫制备装置，5、发泡液配置装置，6、多孔球形颗粒储备箱，7、定量添加装置，8、均匀颗粒流体发生装置，9、矿山采空区，10、第一阀门，11、第二阀门，12、第三阀门，13、第四阀门，14、第五阀门，15、第六阀门，16、第一进气管道，17、第一出气管道，18、第二进气管道，19、第二出气管道，20、第一控制阀，21、第二控制阀，22、第三控制阀，23、第四控制阀，24、第一压力表，25、第二压力表。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“底”、“顶”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例1
一种基于碱性固废的多孔球形颗粒，多孔球形颗粒表面分布有微孔(直径小于2nm)、介孔(直径为2～50nm)和大孔(直径大于50nm)，由于多孔球形结构表面孔洞较多且表面积巨大，具有良好的CO2吸附性能和支撑性能，能够用于充填矿山采空区。基于碱性固废的多孔球形颗粒由骨料、碱性激发剂、表面活性剂、发泡剂和水采用化学发泡法制备而成，其中，骨料由粉煤灰和矿化后的电石渣混合而成，碱性激发剂由水玻璃和氢氧化钠混合而成，表面活性剂中至少含有油酸、十六烷基三甲基溴化铵中的任一种，发泡剂为次氯酸钠溶液。
本实施例中基于碱性固废的多孔球形颗粒中骨料、碱性激发剂、表面活性剂、发泡剂、水的质量比为1：0.939：(0.01～0.044)：0.045：(0.4～0.7)，其中，骨料中粉煤灰和矿化后电石渣的质量比为1：(0.82～3)；碱性激发剂中水玻璃溶液和氢氧化钠的质量比为1:0.11，利用氢氧化钠将水玻璃的模数调整为1.5；表面活性剂中油酸和十六烷基三甲基溴化铵的质量比为1：(0～0.42)；次氯酸钠溶液的浓度不低于12％。
实施例2
本实施例提出了一种基于碱性固废的多孔球形颗粒的制备方法，用于制备基于碱性固废的多孔球形颗粒，具体包括以下步骤：
步骤1，称取一定质量的电石渣粉末和水混合后置于高温高压反应釜的反应器中进行反应，将高温高压反应釜的反应压力设置为0.5MPa、反应转速设置为600r/min、反应时长设置为6h，反应结束后，过滤掉反应器中的废液得到矿化后的电石渣，将矿化后的电石渣置于真空干燥箱中进行干燥，将真空干燥箱的温度设置为80℃、干燥时间设置为8小时，将干燥后的电石渣放入研磨钵中研磨为粒度不低于300目的颗粒，放入密封袋中密封备用。
步骤2，称取一定质量的水玻璃和氢氧化钠一起加入至第一烧杯中，将机械搅拌器的搅拌转速设置为300r/min，利用机械搅拌器对第一烧杯中的混合液体进行搅拌，搅拌时长为1min，利用氢氧化钠将水玻璃的模数调整为1.5，制得碱性激发剂。
步骤3，称取一定量的骨料、表面活性剂、次氯酸钠溶液和水加入至第二烧杯中，将第一烧杯中的碱性激发剂添加至第二烧杯中，设置机械搅拌器的搅拌转速为400r/min，利用机械搅拌器对第二烧杯中的混合液体进行搅拌，搅拌时长为2min，制得发泡浆液。
步骤4，将第二烧杯中的发泡浆液倒入直径为5mm的球形模具中，在室温下进行固化成型后脱模，制得基于碱性固废的多孔球形颗粒。
利用本实施例中的方法，分别采用不同组分制备基于碱性固废的多孔球形颗粒，并将各组分制备得到的多孔球形颗粒置于全自动及孔隙度分析仪中，确定各多孔球形颗粒的CO2吸附量，结果如表1所示。
表1多孔球形颗粒的制备组分及吸附量
通过比较不同组分制备所得多孔球形颗粒的CO2吸附量可以得到，当采用20g骨料(由10.5g粉煤灰和19.5g矿化后的电石渣混合而成)、28.158g碱性激发剂(由25.338g水玻璃和2.82gNaOH混合而成)、0.372g表面活性剂(由0.3g油酸和0.072g十六烷基三甲基溴化铵混合而成)、1.35g次氯酸钠和15g水制成的基于碱性固废的多孔球形颗粒，其CO2吸附量为117.4cm3/g，如图1所示，该组分制备的多孔球形颗粒对CO2的吸附效果最好。
实施例3
本实施例提出了一种用于向矿山采空区充填多孔球形颗粒的多孔球形颗粒充填装置，如图2所示，多孔球形颗粒充填装置包括液态CO2源1、气态CO2源2、液态CO2汽化器3、泡沫制备装置4和均匀颗粒流体发生装置8。
液态CO2源1、液态CO2汽化器3、泡沫制备装置4、均匀颗粒流体发生装置8通过主管道依次连接后与矿山采空区9内部相连通，液态CO2汽化器3与泡沫制备装置4之间的主管道上依次接入第一支路管道的出气端和第二支路管道的流入端，第一支路管道的进气端与气态CO2源2相连接，第二支路管道的流出端与位于泡沫制备装置4和均匀颗粒流体发生装置8之间的主管道相连通，第一支路管道上设置有第二阀门11，第二支路管道上设置有第四阀门13。
泡沫制备装置4与发泡液配置装置5相连接，发泡液配置装置5中储存有发泡液，该发泡液由水和海藻酸钠采用99:1的比例配置而成；均匀颗粒流体发生装置8与多孔球形颗粒储备箱6相连接，多孔球形颗粒储备箱6内部储存有基于碱性固废的多孔球形颗粒，多孔球形颗粒储备箱6底部设置有定量添加装置7，用于定量将多孔球形颗粒加入均匀颗粒流体发生装置中。
液态CO2源1与液态CO2汽化器3之间的主管道上设置有第一阀门10，液态CO2汽化器3与泡沫制备装置4之间的主管道上设置有第三阀门12，第三阀门12靠近泡沫制备装置4一侧，泡沫制备装置4与均匀颗粒流体发生装置8之间的主管道上设置有第五阀门14，均匀颗粒流体发生装置8与矿山采空区9之间的主管道上设置有第六阀门15。
采用本实施例提出的多孔球形颗粒充填装置充填矿山采空区时，可以直接以CO2源作为动力源将多孔球形颗粒充入矿山采空区9内部，也可以利用泡沫制备装置4产生的气液两项泡沫作为动力源将多孔球形颗粒充入矿山采空区9内部，具体包括以下情况：
当以CO2源作为多孔球形颗粒充入矿山采空区的动力源时：
若选择气态CO2源2，则开启第二阀门11、第四阀门13和第六阀门15，关闭第一阀门10、第三阀门12和第五阀门14，开启气态CO2源2，使得气态CO2以1000-2500m3/h的速率充入均匀颗粒流体发生装置8内，再开启定量添加装置7，控制多孔球形颗粒储备箱6以0.3-1.5t/h的速率向均匀颗粒流体发生装置8内添加多孔球形颗粒，多孔球形颗粒吸附CO2后形成均匀的气固两相流，经主管道注入矿山采空区9内，充填矿山采空区。
若选择液态CO2源1，则开启第一阀门10、第四阀门13和第六阀门15，关闭第二阀门11、第三阀门12和第五阀门14，开启液态CO2源1和液态CO2汽化器3，利用液态CO2汽化器3将液态CO2源汽化后，以1000-2500m3/h的速率充入均匀颗粒流体发生装置8内，再开启定量添加装置7，控制多孔球形颗粒储备箱6以0.3-1.5t/h的速率向均匀颗粒流体发生装置8内添加多孔球形颗粒，多孔球形颗粒吸附CO2后形成均匀的气固两相流，经主管道注入矿山采空区9内，充填矿山采空区。
当以气液两项泡沫作为多孔球形颗粒充入矿山采空区的动力源时：
若选择气态CO2源2，则开启第二阀门11、第三阀门12、第五阀门14和第六阀门15，关闭第一阀门10和第四阀门13，开启气态CO2源2，将气态CO2以1000-2500m3/h的速率充入泡沫制备装置4内，开启泡沫制备装置4，以6-20t/h的速率向泡沫制备装置4内充入发泡液，发泡液与气态CO2在泡沫制备装置4内均匀混合后形成气液两项泡沫，气液两项泡沫经主管道流入均匀颗粒流体发生装置8中，开启定量添加装置7，将多孔球形颗粒储备箱6内的多孔球形颗粒定量添加至均匀颗粒流体发生装置8内，多孔球形颗粒吸附CO2后形成均匀颗粒流，均匀颗粒流经主管道注入矿山采空区9内，充填矿山采空区。
若选择液态CO2源1，则开启第一阀门10、第三阀门12、第五阀门14和第六阀门15，关闭第二阀门11和第四阀门13，开启液态CO2源1和液态CO2汽化器3，利用液态CO2汽化器3将液态CO2汽化后，以1000-2500m3/h的速率充入泡沫制备装置4内，开启泡沫制备装置4，以6-20t/h的速率向泡沫制备装置4内充入发泡液，发泡液与气态CO2在泡沫制备装置4内均匀混合后形成气液两项泡沫，气液两项泡沫经主管道流入均匀颗粒流体发生装置8中，开启定量添加装置7，将多孔球形颗粒储备箱6内的多孔球形颗粒定量添加至均匀颗粒流体发生装置8内，多孔球形颗粒吸附CO2后形成均匀颗粒流，均匀颗粒流经主管道注入矿山采空区9内，充填矿山采空区。
实施例4
本实施例为了验证实施例3中多孔球形颗粒充填装置的封堵效果，在实验室中以实验容器模拟矿山采空区，如图3所示，实验容器两端设置有第一入口和第一出口，侧壁设置有第二入口和第二出口，内部充填有粒径为1～10cm的破碎岩石，第一入口通过第一进气管道16与实施例3中多孔球形颗粒充填装置的主管道相连接，第一出口通过第一出气管道17与实验容器外部相连通，第二入口通过第二进气管道18与实验容器外部相连通，第二出口通过第二出气管道19与实验容器外部相连通，其中，第一进气管道16靠近第一入口一侧设置有第一控制阀20，第一出气管道17靠近第一出口一侧设置有第四控制阀23，第二进气管道18靠近第二入口一侧设置有第二控制阀21和第一压力表24，第二出气管道19靠近第二出口一侧依次设置有第三控制阀22和第二压力表25。
本实施例中多孔球形颗粒封堵效果验证实验，具体包括以下步骤：
步骤1，将多孔球形颗粒充填装置的主管道与实验容器的第一进气管道16相连接，关闭第一控制阀20和第四控制阀23，开启第二控制阀21和第三控制阀22，向第二进气管道18内充入压力为1MPa的高压气体，高压气体充入实验容器内部后经第二出气管道19排出，此时读取第一压力表24和第二压力表25的示数，记录第一压力表示数和第二压力表示数之间的差值，本实施例中第一压力表24与第二压力表25的示数差值为0.07MPa。
步骤2，关闭第二控制阀21和第三控制阀22，开启第一控制阀20和第四控制阀23，再开启多孔球形颗粒充填装置，利用多孔球形颗粒充填装置向实验容器内充入带有多孔球形颗粒的高压CO2流体，多孔球形颗粒充填装置内的高压流体经第一进气管道16流入实验容器内，基于碱性固废的多孔球形颗粒滞留于破碎岩石中，气体CO2经第一出气管道17流出实验容器，15min后关闭第一控制阀20和第四控制阀23。
步骤3，关闭多孔球形颗粒充填装置，开启第二控制阀21和第三控制阀22，再次向第二进气管道18内充入压力为1MPa的高压气体，记录此时第一压力表示数和第二压力表示数之间的差值，本实施例中第一压力表24和第二压力表25之间的示数仍为0.07MPa，说明基于碱性固废的多孔球形颗粒对实验容器内部有良好的封堵作用，能够有效对矿山采空区进行封堵。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.基于碱性固废的多孔球形颗粒，其特征在于，所述多孔球形颗粒表面分布有微孔、介孔和大孔，由骨料、碱性激发剂、表面活性剂、发泡剂和水采用化学发泡法制备而成，其中，骨料由粉煤灰和矿化后的电石渣混合而成，碱性激发剂由水玻璃和氢氧化钠混合而成，表面活性剂中至少含有油酸、十六烷基三甲基溴化铵中的任一种，发泡剂为次氯酸钠溶液。
2.根据权利要求1所述的基于碱性固废的多孔球形颗粒，其特征在于，所述多孔球形颗粒中骨料、碱性激发剂、表面活性剂、发泡剂、水的质量比为1：0.939：(0.01～0.044)：0.045：(0.4～0.7)。
3.根据权利要求2所述的基于碱性固废的多孔球形颗粒的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1，称取一定质量的电石渣粉末和水混合后置于高温高压反应釜的反应器中反应，反应结束后，过滤掉反应器中的废液得到矿化后的电石渣，将矿化后的电石渣置于真空干燥箱中干燥，取出研磨后与粉煤灰相混合得到骨料，将骨料密封备用；
步骤2，称取一定质量的水玻璃和氢氧化钠一起加入至第一烧杯中，对第一烧杯中的混合液体进行搅拌使其充分混合形成碱性激发剂；
步骤3，称取一定量的骨料、表面活性剂、次氯酸钠溶液和水加入至第二烧杯中，将第一烧杯中的碱性激发剂添加至第二烧杯中，充分搅拌后得到发泡浆液；
步骤4，将第二烧杯中的发泡浆液倒入球形模具中进行固化处理，制得基于碱性固废的多孔球形颗粒。
4.根据权利要求3所述的基于碱性固废的多孔球形颗粒的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，骨料中粉煤灰和矿化后电石渣的质量比为1：(0.82～3)；
所述步骤2中，水玻璃溶液和氢氧化钠的质量比为1:0.11；
所述步骤3中，骨料与碱性激发剂的质量比为1：0.939；骨料与表面活性剂的质量比为1：(0.01～0.044)，表面活性剂由油酸和十六烷基三甲基溴化铵混合而成，其中，油酸和十六烷基三甲基溴化铵的质量比为1：(0～0.42)；骨料与次氯酸钠溶液的质量比为1：0.045，次氯酸钠溶液的浓度不低于12％；骨料与水的质量比1：(0.4～0.7)。
5.根据权利要求3所述的基于碱性固废的多孔球形颗粒的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，高温高压反应釜的反应压力设置为0.5MPa，反应转速设置为600r/min，反应时长设置为6小时；真空干燥箱的温度设置为80℃，干燥时间设置为8小时；研磨后电石渣的粒度不低于300目。
6.根据权利要求3所述的基于碱性固废的多孔球形颗粒的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，采用机械搅拌器进行搅拌，机械搅拌器的搅拌时长设置为2min，搅拌转速设置为400r/min。
7.根据权利要求3所述的基于碱性固废的多孔球形颗粒的制备方法，其特征在于，所述步骤4中，球形模具的直径为5mm。
8.基于碱性固废的多孔球形颗粒在矿山采空区的应用，其特征在于，所述多孔球形颗粒采用如权利要求3～7中任一所述的制备方法制得，采用多孔球形颗粒吸附CO2后快速充填矿山采空区。
9.根据权利要求8所述的基于碱性固废的多孔球形颗粒在矿山采空区的应用，其特征在于，采用多孔球形颗粒充填装置将多孔球形颗粒充填至矿山采空区，所述多孔球形颗粒充填装置包括液态CO2源、气态CO2源、液态CO2汽化器、泡沫制备装置和均匀颗粒流体发生装置；
所述液态CO2源、液态CO2汽化器、泡沫制备装置、均匀颗粒流体发生装置通过主管道依次连接后与矿山采空区内部相连通，液态CO2汽化器与泡沫制备装置之间的主管道上依次接入第一支路管道的出气端和第二支路管道的流入端，第一支路管道的进气端与气态CO2源相连接，第二支路管道的流出端与位于泡沫制备装置和均匀颗粒流体发生装置之间的主管道相连通；
所述泡沫制备装置与发泡液配置装置相连接；所述均匀颗粒流体发生装置与多孔球形颗粒储备箱相连接，多孔球形颗粒储备箱的内部储存有多孔球形颗粒，底部设置有定量添加装置；
所述液态CO2源与液态CO2汽化器之间的主管道上设置有第一阀门，液态CO2汽化器与泡沫制备装置之间靠近泡沫制备装置一侧的主管道上设置有第三阀门，泡沫制备装置与均匀颗粒流体发生装置之间的主管道上设置有第五阀门，均匀颗粒流体发生装置与矿山采空区之间的主管道上设置有第六阀门；所述第一支路管道上设置有第二阀门，第二支路管道上设置有第四阀门。
10.根据权利要求9所述的基于碱性固废的多孔球形颗粒在矿山采空区的应用，其特征在于，采用多孔球形颗粒充填装置充填矿山采空区时，可以直接以CO2源作为动力源将多孔球形颗粒充入矿山采空区内部，也可以利用泡沫制备装置产生的气液两项泡沫作为动力源将多孔球形颗粒充入矿山采空区内部；
以CO2源作为多孔球形颗粒充入矿山采空区的动力源时：
若选择气态CO2源，则开启第二阀门、第四阀门和第六阀门，关闭第一阀门、第三阀门和第五阀门，开启气态CO2源，将气态CO2充入均匀颗粒流体发生装置内，再开启定量添加装置，将多孔球形颗粒定量添加至均匀颗粒流体发生装置内，多孔球形颗粒吸附CO2后形成均匀的气固两相流，经主管道注入矿山采空区内，充填矿山采空区；
若选择液态CO2源，则开启第一阀门、第四阀门和第六阀门，关闭第二阀门、第三阀门和第五阀门，开启液态CO2源和液态CO2汽化器，利用液态CO2汽化器将汽化后的CO2充入均匀颗粒流体发生装置内，再开启定量添加装置，将多孔球形颗粒定量添加至均匀颗粒流体发生装置内，多孔球形颗粒吸附CO2后形成均匀的气固两相流，经主管道注入矿山采空区内，充填矿山采空区；
以气液两项泡沫作为多孔球形颗粒充入矿山采空区的动力源时：
若选择气态CO2源，则开启第二阀门、第三阀门、第五阀门和第六阀门，关闭第一阀门和第四阀门，开启气态CO2源，将气态CO2充入泡沫制备装置内，开启泡沫制备装置使得发泡液与气态CO2均匀混合形成气液两项泡沫，气液两项泡沫经主管道流入均匀颗粒流体发生装置中，开启定量添加装置，将多孔球形颗粒定量添加至均匀颗粒流体发生装置内，多孔球形颗粒吸附CO2后形成均匀颗粒流，均匀颗粒流经主管道注入矿山采空区内，充填矿山采空区；
若选择液态CO2源，则开启第一阀门、第三阀门、第五阀门和第六阀门，关闭第二阀门和第四阀门，开启液态CO2源和液态CO2汽化器，利用液态CO2汽化器将汽化后的CO2充入泡沫制备装置内，开启泡沫制备装置使得发泡液与汽化后的CO2均匀混合形成气液两项泡沫，气液两项泡沫经主管道流入均匀颗粒流体发生装置中，开启定量添加装置，将多孔球形颗粒定量添加至均匀颗粒流体发生装置内，多孔球形颗粒吸附CO2后形成均匀颗粒流，均匀颗粒流经主管道注入矿山采空区内，充填矿山采空区。
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Application publication date: 20211203 Assignee: Shandong Lansheng Mining Technology Co.,Ltd. Assignor: SHANDONG University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Contract record no.: X2024980009718 Denomination of invention: A porous spherical particle, preparation method and its application in mining goaf Granted publication date: 20220517 License type: Common License Record date: 20240715 |