【《煤矸石制备地质聚合物实验分析》开题报告文献综述7000字】

开题报告题目煤矸石制备地质聚合物实验研究选题类型一、选题依据(简述国内外研究现状、生产需求状况,说明选题目的、意义，列出主要参考文献)：（一）选题目的、意义煤炭作为我国主体能源，也是重要工业原料之一，近年来，伴随我国能源需求日益增加，煤炭产量持续增长,2021年煤炭产量达到41.3亿吨，为历史最高水平。煤炭产量不断提高，势必造成煤及其伴生资源被大量采出，并以煤矸石为主要伴生岩石开采煤炭，占煤炭产量10~15%，累计堆存超过70亿吨，并仍然保持着3~3.5亿吨的年增长率，已形成矸石山1700多座，面积20多万亩。大宗煤矸石固废既浪费了土地资源，也容易出现煤矸石山的自燃现象、爆炸乃至滑坡的灾害事故，排放有毒有害气体，污染空气环境等，煤矸石重金属元素被雨水淋溶和地表水淋溶、地下水在土壤中的长时间浸泡和排放、水环境对生态的威胁，并且可通过生物蓄积方式对人类健康造成危害。有效地控制煤矸石对环境的污染是当务之急，煤矸石处置与利用的研究，历来受到学者们的重视。煤矸石资源化、以无害化利用为主要途径，对煤矸石进行处理和利用。当前以能源燃料为重点、建筑材料的配制、化工产品和元素提取，土壤调节等、矿井充填等等。2019年国家科技部重点研发计划“固废资源化”项目指南设立了“大宗铝硅酸盐无机固废物相重构与转化利用科学基础、大宗工业固废协同制备低成本胶凝材料及应用技术”等项目。2020年我国颁布《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》提出“国家鼓励采取先进工艺对尾矿、煤矸石、废石等矿业固体废物进行综合利用”。这些计划与工程为煤矸石资源化利用指出了方向，其中，对胶凝材料进行研究就是一个热门方向。2021年中国煤炭工业协会印发《煤炭工业“十四五”科技发展指导意见》指出“以煤矸石、尾煤、粉煤灰等大宗固废资源多元化利用为对象，建设矿区固废资源利用示范工程，主要研究矿区大宗固废资源化及协同处置技术，高效低成本煤矸石充填置换技术，扩大矿井充填材料来源，拓宽其它大宗固废的处置途径。煤矸石的主要化学成分是二氧化硅（SiO2）和三氧化二铝（Al2O3），是硅铝质矿物的极好原材料。当前大规模使用井下充填多集中在物理特性方面，例如，散体煤矸石充填材料压实力学特征和胶结充填材料骨料比例研究，对煤矸石各成分物理，化学特性的开发和利用很少。地质聚合物，是指可以用硅铝质矿物原料和碱性或者酸性溶液，在室温下配制而成的一类无机聚合物材料，它具有优异的胶凝性和高强度，快硬，耐酸碱等特点、耐高温等特点。原料除了天然矿物高岭石以外，已经延伸到各种工业副产品中，例如矿渣，粉煤灰，赤泥和废玻璃，目前，以偏高岭土为主、矿渣及粉煤灰基地质聚合物。硅铝酸盐矿物的性质是上述原料在地质聚合物合成中应用的主要因素。煤矸石中硅铝质矿物含量丰富，使得它在地质聚合物领域中有着潜在利用价值，与当前应用较为广泛高能耗水泥胶凝材料相比较，在矿井充填中应用新型绿色全煤矸石基材料，则有较大的优越性。煤矸石固废资源化利用及污染防治技术在“十四五”中国煤炭工业科技创新中占有重要地位，迫切需要针对煤矸石固废的特点进行清洁利用与污染协同控制技术研究。通过研究可对地质聚合反应的相关理论进行革新，构建了活化煤矸石基地质聚合工艺基础理论体系，进一步发展煤矸石基材料低碳清洁利用技术与方法，实现了绿色胶凝新材料在矿井充填中的应用，有较大学术价值，满足工程应用需求，这对于煤矸石固废绿色化利用，绿色矿山建设具有重要促进作用。而天然煤矸石中的无机矿物组分主要以稳定的硅铝相矿物（如高岭石等）存在，结构稳定，一般不容易和别的物质起反应。根据偏高岭石基聚合物的反应机理，用机械力磨细煤矸石、经过煅烧或者自燃热活化处理，稳定硅铝相矿物组分得以活化，进一步在常温常压下同碱溶液反应，得到地质聚合物材料。目前人们对煤矸石混合各种工业固废用作地质聚合物原料进行了大量研究，例如掺矿渣，粉煤灰等制得力学性能良好的地质聚合物；和热活化污泥、将赤泥和废弃混凝土与其他物质按不同比例混合，制得地质聚合物，等等。这些研究结果集中在对不同混合材料比例的试验研究上，以及不同学者所使用的素材、活化方式和配比方案有很大的不同，煤矸石基地质聚合物性质很难获得规律性结果，且将煤矸石基地质聚合物与煤矸石骨料混合的材料性能及环境友好性分析较少，因此，进一步深入研究煤矸石活化特征及胶凝固结型煤矸石骨料性能具有十分重要的意义。本论文选择单一煤矸石作为主要的研究对象，分析了煤矸石在机械力活化与热活化作用下活性结构的变化特点，并对活化煤矸石基地质聚合物的制备进行了正交试验，对不同机械力的研磨时间进行了分析、碱溶液模数，固含量和液固比对煤矸石基地质聚合物抗压力学性能影响规律，对不同力学性能煤矸石基地质聚合物宏微观结构特征进行了研究，对煤矸石基地质聚合物胶固化结型煤矸石骨料进行了性质强弱及环境友好性分析，为煤矸石处置与利用提供基础理论借鉴。（二）历史与现状1.煤矸石利用研究现状根据《GB/T39198-2020一般固体废物分类与代码》，煤矸石是指煤矿开拓掘进期间，从巷道中挖出的岩石（约占总量60~70%）、煤炭开采时顶底板岩石和夹矸石（约占总量10~30%）和煤炭分选或洗选时产生的洗选矸石（约占总量5%）。作为一种含碳岩石，它和煤相伴存在，煤矸石有数十种之多，其中有炭质页岩和泥灰岩、泥质页岩、砂质页岩及其他，煤矸石的矿物种类十分丰富，主要由石英，高岭石，蒙脱石，伊利石，方解石等组成、白云石和其他含铁类矿物，化学组成以SiO2、Al2O3为主，其次为Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O等。煤矸石富含矿物组成及化学成分，使得煤矸石具有资源化利用的特点，现有处置利用多按行业领域划分，包括低热值燃料等、化工产品和元素提取、工程建筑材料等、农业肥料和矿井充填。煤矸石有机质含量在15~20%左右，含植物生长不可缺少的锌，铜等、硒和其他微量元素，可以作为农业肥料，土地复垦等、土壤调节等等。刘信平等采用弱碱性物质Na2CO3活化富硒煤矸石，配制活化煤矸石硒有机肥。占俊雄等用研磨的方法、煅烧（800°C）、0.1mCa（OH）2溶液激活，制得3种碱激活煤矸石，并将其应用于磷酸盐吸附储存，作为缓释肥料。王淇等人对煤矸石替代土壤成为新的种植基质成分进行研究，结果表明，煤矸石能显着提高基质的化学性能（土壤有机质、全氮、全磷、速效氮、速效磷和速效钾）和物理性能（容重、总孔隙度、毛管孔隙度、土壤含水量和渗透系数），增加土壤养分比，从而有利于植物的生长。对矿区生态修复奠定了基础。李静等用的是表土，煤矸石、粉煤灰与岩土剥离材料作为土壤的重建材料，露天矿草地复垦草木犀生长量较纯表土盆栽植物生物量提高了近30%，可代用表土，本实用新型解决草原矿区表土短缺。煤矸石是一种低热值燃料，可用来燃烧发电。当前以劣质煤炭资源、以煤矸石等为主要原料的循环流化床工艺得到了快速发展。目前，循环流化床锅炉在我国的保有量居世界第一、装机容量居世界首位，现有440台100~600兆瓦循环流化床锅炉，总装机容量82.29千兆瓦。分布于中国云南宣威，2×300MW煤矸石热电厂已建设完成，技术较为成熟，综合成绩较好；邱瑞芳等以煤矸石电厂循环流化床飞灰为研究对象，采用水热改性方法，获得了富含多孔结构，比表面积大的吸附剂，对废水Cd2+具有较好的吸附性能。吴晓丹分析了燃煤发电带来的环境危害，文中还与一般燃煤锅炉作了对比分析，循环流化床技术得以确立，这一技术在环境方面有其优势，包括脱硫脱渣减少污染气体排放成本节约，锅炉灰渣综合开发利用内部环境效益等，和降低煤矸石对耕地的占用、煤矸石自燃废气排放与水资源污染的外部环境效益研究。煤矸石可单独或与其他固废材料混合提取有用元素，配制化工产品。金俊等用赤泥和煤矸石混合焙烧，将铁铝矿物分离出来，在共焙烧的最佳条件下进行（550°C、50min），总铁含量57.25%铁精矿回收率65.22%，含27.26%Al2O3富铝产品回收率71.37%。杨璋等人研究出一种温和的水化学工艺，在NaOH浓度47.5%，碱煤比6,反应温度260°C条件下，从煤矸石中提取氧化铝、反应时间为120min时，氧化铝提取率94.68%。煤矸石也可用来生产碳化硅，刘建功采用碳热还原法，将水热酸浸煤矸石与废罐衬混合,1600°C烧成5h,获得D50中值直径18.15μm碳化硅粉末，对煤矸石及废罐衬回收改善了新的途径。另外煤矸石还可以制沸石、高效吸附净化材料，如分子筛,Li等用煤矸石作硅源，铝源，添加竹子作为碳源，采用水热法对沸石/活性炭复合材料进行了简单的煅烧，不但有分级多孔结构，并包含微孔，中孔及大孔，结果发现，比表面积879.1m2·g-1的复合材料对于Cu2+离子，罗丹明B等具有较高吸附能力，可以为污水处理提供潜在的候选材料。2.地质聚合物研究现状地质聚合物由法国科学家JosephDavidovits于1979年首次提出，主要是硅铝质矿物原料与碱性溶液在常温条件下（一般＜100℃）发生缩聚反应得到的无机聚合物材料，也可称为地聚合物、地聚物等。相比于水泥材料，地质聚合物具有强度高、固化快、耐久性强、绿色环保等优点，且原料来源广泛，制备过程绿色低碳，目前被广泛应用于绿色建筑材料、耐火耐高温材料、有毒危险废料固封以及航空航天材料等领域。谭波通过研究发现，在同一个条件下制得的水泥和地质聚合物相比，无论是抗折强度还是抗压强度，地质聚合物都要比水泥高出很多，因此地质聚合物的其力学性能完全能够满足建筑结构材料要求。李盾兴等发现新型地质聚合物灌浆材料相比普通水泥、超细水泥、HSC特种水泥等不同灌浆材料具有固结强度高、抗腐蚀性能好等显着特点，比常规灌浆材料渗流治理效果更佳。Wang等提出采用固废煤矸石和赤泥的新型地质聚合物吸附溶液中的重金属，如Pb2+和Cu2+。在没有外加硅铝的情况下，地质聚合物对Pb2+和Cu2+的吸附量呈正相关，为工业固废基地聚物可有效用于重金属的去除及固废资源回收提供参考。3.煤矸石制备地质聚合物研究现状硅铝酸盐矿物的实质为偏高岭石及矿渣、粉煤灰及其他固废原料在地质聚合物合成中应用的主要理由。煤矸石中硅铝质无机矿物的性质，决定了它有可能成为地质聚合物反应的原料。根据偏高岭石基聚合物的反应机理，用机械力磨细煤矸石、经过煅烧或者自燃活化，活性硅铝相矿物组分可与碱溶液混合，常温常压制备煤矸石基的基质聚合物。目前，重点是煤矸石基地质聚合物原料配比及性能特征方面的研究。Li等人采用机械研磨与热活化相结合的方法，制备出一种基于煤矸石与高炉矿渣的地质高分子材料，对粒度，热活化地质聚合物等因素进行了考察，研究表明，最佳粒径在200目时，最佳活化温度在700°C左右,2种地质聚合物都表现出显着的力学特性,X射线衍射及扫描电镜-能谱分析显示，最终产物都是由（铝）酸钙凝胶（钠）凝胶（C（N）-（A）-SH）构成，还有部分晶相没有发生反应。ZhangDM等以碱性干粉激发剂，煤矸石为进一步材料、粉煤灰与其他材料配制煤矸石基地聚合物混凝土，对活化方式，养护温度，养护时间等进行了考察、水胶比，砂率等因素对碱干粉激活煤矸石基地聚合物混凝土力学性能影响规律，得到碱性干粉活化煤矸石基地聚合物混凝土养护温度最优、水胶比及砂率的变化范围。周梅等采用改性钠水玻璃、利用KOH溶液配制自燃煤矸石-矿渣-粉煤灰地质聚合胶凝材料，各项性能指标均达到硅酸盐水泥技术标准，在优化碱溶液比例下，其抗压强度达到了65.13Mpa。苏丽娟等人发现，煤矸石基发泡地质聚合物试样养护时间与其抗压强度成显着正相关，养护28d抗压强度可达7d的两倍多；相同的水玻璃模数、双氧水的掺量还正比于单轴抗压强度，反之，加入过多硬脂酸钠，则强度，弹性模量都下降。煤矸石基地质聚合物性能的研究重点是其力学性能，这和煤矸石作为建筑材料领域中的应用背景有一定关系。另外地质聚合物还对金属离子有高效固化作用，因此，近年来，学者开始重视煤矸石基地质聚合物对重金属离子固化的研究工作。Wang等以固废煤矸石，赤泥为原料，考察了所制地质聚合物中胶凝量及成分与重金属吸附之间的关系，结果发现，地质聚合物凝胶对Pb2+,Cu2+吸附容量正相关，各种地质聚合物都能对溶液中Pb2+,Cu2+进行吸附,最大吸附量分别为137.7和90mg/g。对清除废物中重金属离子，提出了一个强有力的观点。刘朋以赤泥-煤矸石为原料，对地质聚合物进行了检测、固化后的城市生活垃圾焚烧处理飞灰稳定性，研究发现,99.6%以上重金属可固定于地质聚合物网状微结构内，其影响依次为Pb>Zn>Cr>Cd，实现重金属由有效态到稳定态的转变，并且能在地质聚合物中长期维持安全稳定性。张大明利用煤矸石与高炉矿渣配制复合型地质聚合物，对铅锌尾矿重金属固化问题进行了研究，研究发现，铅锌尾矿重金属经物理，化学方式有效固化，浸出浓度远远小于建筑应用领域标准限值。所以，开发利用煤矸石基地质聚合物既能充分利用煤矸石固废资源，更能有效地固封重金属离子，是煤矸石资源化，绿色化利用的一种有效方式。参考文献[1]周楠,姚依南,宋卫剑,等.煤矿矸石处理技术现状与展望[J].采矿与安全工程学报,2020,37(1):136-146.[2]李猛,张卫清,李艾玲,等.矸石充填材料承载压缩变形时效性试验研究[J].采矿与安全工程学报,2020,37(1):147-154.[3]占俊雄,卢金山,刘智勇,等.大宗固体废渣制备地质聚合物及其性能和应用研究进展[J].陶瓷学报,2021,42(1):54-62.[4]冯天彦.热活化铜尾矿-煤矸石及碱激发胶凝材料的制备研究[D].昆明：昆明理工大学,2021.[5]王淇,张丽娜,闵鑫,等.中国煤矸石综合利用技术研究进展[J].科技创新导报,2017,14(36):46-48.[6]李静,温鹏飞,何振嘉.煤矸石的危害性及综合利用的研究进展[J].煤矿机械,2017,38(11):128-130.[7]吴晓丹.煤矸石多孔轻质材料的制备及性能研究[D].沈阳：沈阳建筑大学,2020.[8]刘信平,吴少尉,张驰.富硒煤矸石活化技术及煤矸石硒肥高效利用研究[J].植物营养与肥料学报,2020,26(8):1526-1535.[9]刘建功,李新旺,何团.我国煤矿充填开采应用现状与发展[J].煤炭学报,2020,45(1):141-150.[10]刘朋.粒状煤矸石的活化及其在水泥基材料中的应用研究[D].合肥：安徽建筑大学,2019.[11]张大明.煤矸石基地聚物制备及其混凝土强度预测[D].沈阳：东北大学,2017.[12]路其林.煤矸石—矿渣—粉煤灰地质聚合物复合活化研究[D].阜新：辽宁工程技术大学,2014.[13]谭波.铜尾矿/偏高岭土地质聚合物的制备与性能研究[D].昆明：昆明理工大学,2021.[14]李盾兴.高强度偏高岭土基地质聚合物的制备及性能研究[D].太原：太原理工大学,2017.[15]易鸣.地质聚合物砂浆的制备与性能研究[D].杭州：浙江理工大学,2020.[16]刘凯仑,王彦平,陈昶旭,等.聚乙烯醇纤维增强粉煤灰基地聚合物性能研究[J].非金属矿,2021,44(06):94-100.[17]张西玲,郭海峰,汤子奇,等.钢渣微粉-粉煤灰基地质聚合物性能研究及微观结构分析[J].硅酸盐通报,2021,40(12):4044-4051.[18]王雨珅,郝亮,李正,等.3D打印地质聚合物的研究进展和应用探索[J].中国建材科技,2021,30(03):36-40.[19]周梅,徐秒,任光宇,等.自燃煤矸石-矿渣-粉煤灰地质聚合材料的制备及基本性能研究[J].硅酸盐通报,2013,32(9):1826-1831.[20]苏丽娟,付国胜,李富源,等.煤矸石基发泡地质聚合物的制备及其力学性能[J].硅酸盐通报,2020,39(11):3549-3556.[21]JINJP,LIUX,YUANS,etal.Innovativeutilizationofredmudthroughco-roastingwithcoalgangueforseparationofironandaluminumminerals[J].JIndEngChem,2021,98:298-307.[22]YANGQC,ZHANGF,DENGXJ,etal.Extractionofaluminafromaluminarichcoalganguebyahydro-chemicalprocess[J].RoySocOpenSci,2020,7(4):1-12.[23]LIZF,GAOYF,ZHANGJ,etal.Effectofparticlesizeandthermalactivationonthecoalganguebasedgeopolymer[J].MaterChemPhys,2021,267:1-7.[24]ZHANGDM,SUNFJ,LIUTT.StudyonPreparationofCoalGangue-BasedGeopolymerConcreteandMechanicalProperties[J].AdvCivEng,2021,2021:1-13.[25]WANGC,YANGZY,SONGWF,etal.Quantifyinggelpropertiesofindustrialwaste-basedgeopolymersandtheirapplicationinPb2+andCu2+removal[J].JCleanProd,2021,315:1-10.二、主要研究(设计)内容、研究（设计）思路及工作方法或工作流程主要研究内容（1）煤矸石基地质聚合物制备试验研究。以活化煤矸石为主要原料，改性水玻璃为碱溶液，运用正交试验方法和极差方差分析法，分析碱溶液模数、碱溶液固含量、液固比及机械力研磨时间4个不同因素对煤矸石基地质聚合物力学性能的影响规律，确定具备优良力学性能的煤矸石基地质聚合物的最优配比。（2）煤矸石基地质聚合物物化性能分析基于正交试验结果，进一步优化煤矸石基地质聚合物的制备条件，对比分析了优化机械力研磨时间后煤矸石基地质聚合物的抗压力学性能变化，并用于胶凝固结煤矸石骨料研究，分析固结不同粒径煤矸石骨料条件下材料的单轴抗压强度变化、应力应变曲线特征、表面微观形貌变化特征以及环境友好性。研究思路本文先是设计了正交试验方案制备了不同因素条件下的煤矸石基地质聚合物，根据宏观抗压力学性能差异，利用极差方差分析得到了机械力研磨时间