集团刘银教授课题组在煤矸石等煤系固废高值化利用方面取得了系列工作进展

    近日，集团刘银教授课题组在煤矸石等煤系固废高值化利用方面取得了系列工作进展，相关研究成果已发表于Ceramics International（中科院一区，Top期刊，IF=4.527）、Journal of Asian Ceramic Societies（中科院二区，IF=3.125）、International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology（中科院二区，IF=5.671）以及International Journal of Applied Ceramic Technology（中科院三区，IF=1.968）。

    煤矸石、煤泥等是一类大宗煤系固废，长期堆存即占用耕地，又造成环境污染。刘银教授课题组以煤矸石、煤泥、废旧耐火材料等为原料制备了莫来石陶瓷及其复相陶瓷等，系统研究了不同制备方法、影响因素对材料微观结构、力学性能的影响。以煤矸石、煤泥等煤系固废制备的莫来石多孔陶瓷，控制煤泥和木屑粒径和添加比例实现孔结构搭建，通过控制烧结温度、添加玻璃粉等方式实现了孔结构的优化和力学性能增强。结果表明：莫来石多孔陶瓷在1180℃烧结3h，可实现完全反应，显气孔率均高于31.22%，线收缩率小于8.48%，<8μm的孔与8-20μm的孔的数量比从7:2调整为2:7，抗折性能从7.7MPa提升到28.36MPa，可以满足海绵城市透水砖应用。

图1.多孔陶瓷的物相、孔径分布与力学性能

    课题组发展了以煤矸石为原料、低温熔盐法熔制备纳米莫来石粉体，项目进一步制备了莫来石/氧化铝、氧化锆/莫来石两种复相陶瓷。结果表明莫来石添加量为20wt.%，烧结温度为1550℃时，莫来石/氧化铝复相陶瓷的抗折强度为263.73MPa，断裂韧性为5.01MPa·m^1/2，格里菲斯断裂理论进一步表明此时的临界裂纹尺寸和断裂能亦为最大值，分别为173.86μm、127.55J/m²。

图2.莫来石/氧化铝相关的抗折强度、断裂韧性及其格里菲斯理论分析图

    课题组进一步深入研究了锆源种类、氧化锆添加量等因素对氧化锆晶型、氧化锆分布、样品力学性能等影响。结果表明：ZrOCl₂∙8H₂O促进t-ZrO₂在常温下的保留，通过应力相变增韧、微裂纹增韧和裂纹分支增韧增强氧化锆/莫来石复相陶瓷力学性能，优于m-ZrO₂对样品微裂纹增韧的单一增韧。上述工作为煤矸石等煤系固废高值资源化利用提供了新思路。

图3.氧化锆/莫来石复相陶瓷的物相、微观结构及力学性能

    上述研究结果先后授权国家发明专利5项，博士和硕士研究生以第一作者高水平学术论文5篇，刘银教授为以上论文的通讯作者。

    该工作得到了安徽省高校学科（专业）拔尖人才学术资助项目、安徽省科技重大专项、2019年国家级老员工创新创业训练计划、大阳城87222019年研究生创新基金项目等资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.03.327

https://doi.org/10.1080/21870764.2021.1891663

https://doi.org/10.1007/s40684-021-00333-8

https://doi.org/10.1111/ijac.13720

https://doi.org/10.1111/ijac.13391

（撰稿、核稿：朱宏政 刘令云）