CN115872672B - 一种煤矸石基生态修复材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤矸石基生态修复材料及其制备方法和应用。煤矸石基生态修复材料包括以下重量份数的原料：煤矸石：10份；粘合剂：0.5~1份；植物纤维：1~10份；肥料：1份。制备方法为：包括一级破碎、一级热处理、一级冷却、二级破碎、混合成型、二级热处理、二级冷却、混合配料和冷却成型过程。本发明以煤矸石为主要原料制备生态修复材料，可实现煤矸石的有效利用，具有良好的环保、经济和社会效益。
Description
技术领域
本发明涉及煤矸石综合利用技术领域，具体涉及一种煤矸石基生态修复材料的制备方法和应用。
背景技术
煤矸石是煤炭采选过程中产生的典型固体废弃物，一般含碳量较低、灰分较高。虽然有一些处置利用方法如燃烧发电、制作建材或陶瓷、提取有价金属等正在运用。然而，目前未见到真正实现煤矸石的低成本、大规模的处置技术。因此，低成本、大规模的处置技术及应用成为解决煤矸石固废治理的瓶颈问题。
目前生态修复通常采用工程、生物等技术手段对生态环境问题进行综合治理，治理过程中会用到一些生态修复材料。其中人工含碳复合材料，如生物炭－纳米复合材料和改性生物碳材料等为常用的生态修复材料，可取得较好的生态修复效果。但上述材料造价较高，限制了其在生态治理中的大规模使用，因此需开发一种廉价的生态修复材料。煤矸石中既含有无机物，又含有机物，因此将煤矸石加工为一种含碳复合材料理论上具有一定的可行性。若将其进一步加工为生态修复材料将不失为一种煤矸石综合利用的有效方式。目前将煤矸石加工为可用于生态治理的材料方面也有一些方法，如中国专利CN202010502984公开了“煤矸石绿化基质、制备方法及应用”，采用煤矸石、土壤、玉米秸秆、煤灰和保水剂均匀混合而成。但该方法中煤矸石仅作为配料，且煤矸石未进行热处理活化，因此其仅能作为一种绿化基质使用，不能作为一种通用的生态修复材料使用。中国专利CN201910346507公开了“一种利用煤矸石制备重金属土壤修复材料的方法”，利用20份煤矸石，15~20份石灰石或磷石膏，1~2份助剂经过加工制得，有效利用了废弃的煤矸石、石灰石或磷石膏资源，可以实现煤矸石、石灰石或磷石膏等多种废物的资源化。但该方法制备的是仅对重金属污染土壤进行修复的重金属土壤修复材料，而非普适性的生态修复材料。将煤矸石加工为生态修复材料，将有望在实现煤矸石综合利用的同时，实现生态环境的低成本修复，取得良好的经济效益、社会效益和环境效益。
发明内容
本发明旨在提供一种利用煤矸石制备生态修复材料的方法，将煤矸石作为生态修复材料的主要原料，从而实现煤矸石的大规模化利用，具有环保、经济等多重效益。
本发明以煤矸石为原料，煤矸石中含有一定量的有机组分，同时还含有一定量的二氧化硅等无机组分。在煤矸石低温缺氧热处理过程中，煤矸石中的有机组分和无机组分发生热解作用，煤矸石中的挥发性组分及部分硫、氮、汞等重金属污染元素释放，同时有机组分与无机组分在热解过程中相互融合，经冷却后破碎至250目以下使其成为质地均匀的有机和无机材料复合体，然后成型，在一定压力下进行高温二氧化碳活化，使二氧化碳与复合体中的有机组分和无机组分发生活化反应，使复合体成为质地疏松的含炭复合材料。然后将其再与植物纤维和肥料在一定温度下搅拌混合并发生腐化反应，在肥料的作用下加速植物纤维的腐化能力，最终提高含炭复合材料中的腐殖质含量，使最终产物成为一种良好的生态修复材料。
本发明提供了一种煤矸石基生态修复材料，包括以下重量份数的原料：
煤矸石：10份；
粘合剂：0.5~1份；
植物纤维：1~10份；
肥料：1份。
本发明提供了上述用煤矸石制备生态修复材料的方法，通过将煤矸石原料经过一级破碎、一级热处理、一级冷却、二级破碎、混合成型、二级热处理、二级冷却、混合配料、冷却成型的工艺过程将煤矸石转化为生态修复材料。
上述制备方法，具体包括以下步骤：
（1）一级破碎；将原料煤矸石通过破碎机破碎，得到小于80目的粉料；
（2）一级热处理：将粉料置于加热炉中在300-500℃内隔绝空气或惰性气氛下进行热处理30分钟-60 分钟；
（3）一级冷却：热处理后的物料采用间接冷却（冷却水非直接接触）的方式冷却至50℃以下；
（4）二级破碎：一级冷却后的粉料再过筛破碎至250目以下；
（5）混合成型：将步骤（4）所得物料与粘合剂放入搅拌成型装置中，进行搅拌混合并成型成粒径6-10mm的球形颗粒；
（6）二级热处理：将成型的球形颗粒置于加热炉中在750℃，0.5-1MPa下通入二氧化碳气体进行热处理30分钟-60 分钟；
（7）二级冷却：在二级热处理后的物料上直接喷洒碱性水溶液使其冷却至70-80度；
（8）混合配料：冷却后的物料与植物纤维和肥料以10∶（1-10）∶1的质量比在70-80℃下均匀搅拌混合30-120分钟；
（9）冷却成型：经混合配料的物料经冷却即得煤矸石基生态修复材料。
上述制备方法中，所述的煤矸石为氧化硅含量高于60%，炭含量高于20%的煤矸石；
上述制备方法中，所述的粘合剂为沥青和羧甲基纤维素以1：1-1：5的质量比配制成的混合物；
上述制备方法中，所述的植物纤维为棉花秸秆纤维、水稻秸秆纤维、玉米秸秆纤维中的一种。
上述制备方法中，所述的肥料为有机肥或者化肥，有机肥为动物畜禽粪便，化肥为尿素。
上述制备方法中，所述的碱性水溶液包括1%的氢氧化钠水溶液、1%的氢氧化钾水溶液或10%-15%的碳酸钠水溶液；碱性水溶液与物料质量比为1-3：10。
上述制备方法中，所述的煤矸石基生态修复材料成品是指质地疏松且富含腐殖质等植物生长所需氧分，从而可替代表层土壤用于生态修复的材料。
本发明中，采用上述方法制得的生态修复材料，可作为荒漠化、石漠化等水土流失区域及施工占地等生态修复的材料。
进一步地，将煤矸石基生态修复材料作为荒漠化、石漠化水土流失区域的生态修复材料时，将煤矸石基生态修复材料直接铺放于荒漠化、石漠化的水土流失区域表面，铺设厚度50-100mm，在其上直接喷洒当地本土植物草种即可。施工三个月后的植被覆盖率大于80%。
进一步地，将煤矸石基生态修复材料用于施工占地需要生态修复区域中时，将煤矸石基生态修复材料直接铺放于施工占地后的地表面，铺设厚度50-100mm，在其上直接喷洒当地本土植物草种即可。施工三个月后的植被覆盖率大于80%。
本发明的有益效果：
（1）用煤矸石制备生态修复材料，可实现对煤矸石的有效利用；
（2）该材料价廉易得，有效降低生态环境的修复成本，环保经济效益显著。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例1
将原料煤矸石（氧化硅的质量含量高于60%，炭的质量含量高于20%的煤矸石）通过破碎机破碎，得到小于80目的粉料；将粉料置于加热炉中在300℃下隔绝空气进行热处理60分钟；热处理后的物料采用间接冷却的方式冷却至50度以下；经冷却后的粉料再过筛破碎至小于250目后与粘合剂（沥青和羧甲基纤维素以1：1的质量比例配制成的混合物，用量为粉料质量的10%）放入搅拌成型装置中，进行搅拌混合并成型成粒径6mm的球形颗粒；将球形颗粒置于加热炉中在750℃，1MPa下通入二氧化碳气体进行二级热处理30分钟；在二级热处理后的物料上直接喷洒1%的氢氧化钠水溶液使其冷却至70℃后与棉花秸秆纤维和动物畜禽粪便以10:1:1（质量比）的比例在70℃下均匀搅拌混合120分钟，经冷却至室温后即得煤矸石基生态修复材料，可作为荒漠化、石漠化等水土流失区域及施工占地等生态修复的材料。
将本实施例所得煤矸石基生态修复材料直接铺放于荒漠化、石漠化或施工占地表面，铺设厚度50mm，在其上直接喷洒当地本土植物草种即可。生态修复效果见表1所示。
实施例2
将原料煤矸石（氧化硅的质量含量高于60%，炭的质量含量高于20%的煤矸石）通过破碎机破碎，得到小于80目的粉料；将粉料置于加热炉中在500℃下隔绝空气进行热处理60分钟；热处理后的物料采用间接冷却的方式冷却至50度以下；经冷却后的粉料再过筛破碎至小于250目后与粘合剂（沥青和羧甲基纤维素以1：5的质量比例配制成的混合物，用量为粉料质量的8%）放入搅拌成型装置中，进行搅拌混合并成型成粒径10mm的球形颗粒；将球形颗粒置于加热炉中在750℃，0.5MPa下通入二氧化碳气体进行二级热处理60分钟；在二级热处理后的物料上直接喷洒1%的氢氧化钾碱性水溶液使其冷却至80℃后与水稻秸秆纤维和动物畜禽粪便以10:5:1的比例在80℃下均匀搅拌混合30分钟，经冷却至室温后即得煤矸石基生态修复材料，可作为荒漠化、石漠化等水土流失区域及施工占地等生态修复的材料。
将本实施例所得煤矸石基生态修复材料直接铺放于荒漠化、石漠化或施工占地表面，铺设厚度100mm，在其上直接喷洒当地本土植物草种即可。生态修复效果见表1所示。
实施例3
将原料煤矸石（氧化硅的质量含量高于60%，炭的质量含量高于20%的煤矸石）通过破碎机破碎，得到小于80目的粉料；将粉料置于加热炉中在400℃氮气气氛下进行热处理50分钟；热处理后的物料采用间接冷却的方式冷却至50度以下；经冷却后的粉料再过筛破碎至小于250目后与粘合剂（沥青和羧甲基纤维素以1：3的质量比例配制成的混合物，用量为粉料质量的9%）放入搅拌成型装置中，进行搅拌混合并成型成粒径8mm的球形颗粒；将球形颗粒置于加热炉中在750℃，0.8MPa下通入二氧化碳气体进行二级热处理40分钟；在二级热处理后的物料上直接喷洒10%的碳酸钠碱性水溶液使其冷却至75℃后与玉米秸秆纤维和动物畜禽粪便以10:6:1的比例在75℃下均匀搅拌混合100分钟，经冷却至室温后即得煤矸石基生态修复材料，可作为荒漠化、石漠化等水土流失区域及施工占地等生态修复的材料。
将本实施例所得煤矸石基生态修复材料直接铺放于荒漠化、石漠化或施工占地表面，铺设厚度80mm，在其上直接喷洒当地本土植物草种即可。生态修复效果见表1所示。
实施例4
将原料煤矸石（氧化硅的质量含量高于60%，炭的质量含量高于20%的煤矸石）通过破碎机破碎，得到小于80目的粉料；将粉料置于加热炉中在450℃氮气气氛下进行热处理50分钟；热处理后的物料采用间接冷却的方式冷却至50度以下；经冷却后的粉料再过筛破碎至小于250目后与粘合剂（沥青和羧甲基纤维素以1：4的质量比例配制成的混合物，用量为粉料质量的8.5%）放入搅拌成型装置中，进行搅拌混合并成型成粒径8mm的球形颗粒；将球形颗粒置于加热炉中在750℃，1MPa下通入二氧化碳气体进行二级热处理50分钟；在二级热处理后的物料上直接喷洒15%的碳酸钠碱性水溶液使其冷却至78℃后与棉花秸秆纤维和尿素以10:6:1的比例在78℃下均匀搅拌混合100分钟，经冷却至室温后即得煤矸石基生态修复材料，可作为荒漠化、石漠化等水土流失区域及施工占地等生态修复的材料。
将本实施例所得煤矸石基生态修复材料直接铺放于荒漠化、石漠化或施工占地表面，铺设厚度60mm，在其上直接喷洒当地本土植物草种即可。生态修复效果见表1所示。
实施例5
将原料煤矸石（氧化硅的质量含量高于60%，炭的质量含量高于20%的煤矸石）通过破碎机破碎，得到小于80目的粉料；将粉料置于加热炉中在480℃氮气气氛下进行热处理30分钟；热处理后的物料采用间接冷却的方式冷却至50度以下；经冷却后的粉料再过筛破碎至小于250目后与粘合剂（沥青和羧甲基纤维素以1：2的质量比例配制成的混合物，用量为粉料质量的8%）放入搅拌成型装置中，进行搅拌混合并成型成粒径9mm的球形颗粒；将球形颗粒置于加热炉中在750℃，0.9MPa下通入二氧化碳气体进行二级热处理40分钟；在二级热处理后的物料上直接喷洒1%的氢氧化钠水溶液使其冷却至73℃后与棉花秸秆纤维和尿素以10:6:1的比例在73℃下均匀搅拌混合100分钟，经冷却至室温后即得煤矸石基生态修复材料，可作为荒漠化、石漠化等水土流失区域及施工占地等生态修复的材料。
将本实施例所得煤矸石基生态修复材料直接铺放于荒漠化、石漠化或施工占地表面，铺设厚度90mm，在其上直接喷洒当地本土植物草种即可。生态修复效果见表1所示。
表1为各实施例生态修复效果。
表1 实施例生态修复效果
。
Claims (6)
1.一种煤矸石基生态修复材料的制备方法，其特征在于：煤矸石基生态修复材料包括以下重量份数的原料：
煤矸石：10份；
粘合剂：0.5~1份；
植物纤维：1~10份；
肥料：1份；
所述的煤矸石基生态修复材料的制备方法为：以煤矸石为主要原料制备而成，包括一级破碎、一级热处理、一级冷却、二级破碎、混合成型、二级热处理、二级冷却、混合配料和冷却成型过程；具体包括以下步骤：
（1）一级破碎；将原料煤矸石通过破碎机破碎，得到小于80目的粉料；
（2）一级热处理：将粉料置于加热炉中在300-500℃内隔绝空气或惰性气氛下进行热处理30分钟-60 分钟；
（3）一级冷却：热处理后的物料采用与冷却水非直接接触的间接冷却的方式冷却至50℃以下；
（4）二级破碎：一级冷却后的粉料再过筛破碎至250目以下；
（5）混合成型：将步骤（4）所得粉料与粘合剂放入搅拌成型装置中，进行搅拌混合、成型，得到粒径6-10mm的球形颗粒；
（6）二级热处理：将成型的球形颗粒置于加热炉中，在750℃下通入二氧化碳气体在0.5-1MPa下进行热处理30分钟~60 分钟；
（7）二级冷却：在二级热处理后的物料上直接喷洒碱性水溶液使其冷却至70-80℃；
（8）混合配料：冷却后的物料与植物纤维、肥料以10∶1-10∶1的质量比在70-80℃下均匀搅拌混合30-120分钟；所述的植物纤维为棉花秸秆纤维、水稻秸秆纤维、玉米秸秆纤维中的一种；所述的肥料为有机肥或化肥或二者的混合物，有机肥为动物畜禽粪便，化肥为尿素；
（9）冷却成型：将步骤（8）所得混合物料经冷却，即得煤矸石基生态修复材料。
2.根据权利要求1所述的煤矸石基生态修复材料的制备方法，其特征在于：所述的煤矸石为氧化硅含量高于60%，炭含量高于20%的煤矸石。
3.根据权利要求1所述的煤矸石基生态修复材料的制备方法，其特征在于：所述的粘合剂为沥青和羧甲基纤维素以1：1-1：5的质量比配制成的混合物。
4.根据权利要求1所述的煤矸石基生态修复材料的制备方法，其特征在于：碱性水溶液指1%的氢氧化钠水溶液、1%的氢氧化钾水溶液或10%-15%的碳酸钠水溶液；碱性水溶液与物料质量比为1-3：10。
5.一种权利要求1~4任一项所述的制备方法制得的煤矸石基生态修复材料作为荒漠化、石漠化水土流失区域的生态修复材料中的应用，其特征在于：将煤矸石基生态修复材料直接铺放于荒漠化、石漠化的水土流失区域表面，铺设厚度50-100mm，在其上直接喷洒当地本土植物草种；施工三个月后的植被覆盖率大于80%。
6.一种权利要求1~4任一项所述的制备方法制得的煤矸石基生态修复材料在施工占地需要生态修复区域中的应用，其特征在于：将煤矸石基生态修复材料直接铺放于施工占地后的地表面，铺设厚度50-100mm，在其上直接喷洒当地本土植物草种；施工三个月后的植被覆盖率大于80%。
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