《Powder Technology》：Intensified triboelectrostatic separation of coal gasification fine slag based on surface modification of carbon and ash particles
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煤气化细渣表面机械化学协同修饰提升干法静电分离效率研究。通过短时球磨诱导碳-灰复合物解离并暴露活性位点，结合航空煤油、水杨酸、乙酸和木质素等化学修饰剂调控表面极性与电荷行为。实验表明，水杨酸改性使表面介电常数最低（2.71），电荷质量比最高（-61.63 nC/g），碳回收率达56.98%，较原料提升2-3倍。研究揭示了机械激活与化学吸附的跨尺度协同 charging 机制，为固废高效分离与资源化提供新策略。
周慧|陈英华|李海生|陈聚凯|姚杰|王海峰
中国矿业大学化学工程与技术学院，徐州221116，中国
摘要
由于高残碳含量和明显的表面异质性，煤气化细渣（GFS）的摩擦静电分离（TES）效率较低。为了提高GFS的TES效率，采用了一种机械化学协同表面改性策略来调节碳和灰分颗粒的表面性质。短时间球磨诱导了结构重组和表面活化，随后使用煤油、水杨酸、醋酸和木质素进行界面化学改性，从而精确调控了表面极性和电荷行为。球磨2分钟后，D50和D90分别降低了43.7%和72.8%，松散电阻率降至206.4 Ω·m，电荷质量比（CMR）增加到-38.10 nC/g。煤油形成了一层非极性疏水涂层，抑制了电荷耗散，使100°C时的电阻率为1539 Ω·m。水杨酸改性通过–COOH/–OH相互作用建立了电荷稳定层，导致相对介电常数最低（2.71）和CMR最高（-61.63 nC/g）。因此，经水杨酸改性的样品碳回收率达到56.98%，是原材料的两到三倍。本研究揭示了一种由机械活化和化学吸附共同控制的跨尺度协同充电机制，并为可控的表面性质调节和高效干法分离气化固体废物提供了一种通用策略。
引言
煤气化细渣（GFS）是一种工业固体废物，其利用潜力被严重低估[1]。从资源属性来看，GFS具有未燃碳和SiAl硅酸盐的共存特性，并且具有火山灰活性和一定的热值[2]、[3]、[4]。然而，残碳会削弱GFS的火山灰活性，同时它也被认为是一种可回收的能量载体[5]。因此，高效分离碳和灰分被认为是GFS资源利用的关键前提。
目前，GFS主要通过浮选、重力分离、燃烧脱碳和TES进行分离。浮选基于颗粒表面润湿性的差异，但其适用于细颗粒系统的能力有限[6]。重力分离根据密度差异进行，虽然可以获得较大的处理能力，但选择性不足，且经常产生大量中间产物[7]。燃烧脱碳可以有效去除残碳，但需要额外的点火和燃烧辅助，这限制了其经济可行性[8]。相比之下，TES以干法进行，利用颗粒之间的导电性和介电性能差异，具有工艺流程短、耗水量低和环境兼容性高等优势[9]、[10]。研究表明，TES在工业应用中可以实现高效率并获得良好的环境性能，有效减少碳-灰混合[11]。然而，GFS颗粒通常较细，表面异质性强，粒径分布广[12]，含水量高[13]，因此经常观察到电阻率和介电常数的显著波动[14]，电荷稳定性差，细颗粒团聚严重，这些因素共同限制了静电过程的分离效率和操作稳定性。因此，开发一种能够同时调节粒径分布和界面电性能的预处理策略被认为是提高GFS静电分离性能的关键方法。
机械球磨作为一种绿色且可扩展的固相改性技术，具有高能量密度、无溶剂的特点，并能在短时间内产生丰富的表面缺陷和新界面[15]。这种结构重组和颗粒细化有望增加可接触的表面位点数量，并改变关键电性能，包括电阻率、介电常数和CMR。先前的研究表明，球磨时间与颗粒电荷行为之间存在明显的时间窗口效应[16]。因此，短时间球磨可以用作预活化步骤，为后续改性创造化学活性界面，实现结构-化学的协同调节。同时，在矿物和粉末材料的化学改性技术方面也取得了显著进展。脂肪酸改性已被证明可以增强无机填料的表面疏水性和分散性[17]。对于基于煤的固体废物，机械活化可以调节比表面积、SiO2/Al2O3溶解速率和结构有序性，从而加速水化反应并提高材料反应性。此外，等离子体处理、酸活化和聚合物表面涂层等方法在构建非极性界面、调节电荷迁移和暴露活性位点方面表现出良好效果[18]、[19]、[20]、[21]、[22]。此外，基于油的捕集剂已被报道可以显著放大原煤和相关矿物之间的CMR差异，从而提高脱硫和脱灰性能[23]。在此背景下，选择了木质素、煤油、水杨酸和醋酸作为代表性的改性剂，以实现不同的表面改性途径。这些改性剂分别代表四种不同的改性方式：亲水化与表面电荷调节[24]、疏水油膜形成[25]、通过与金属位点的选择性相互作用引入极性官能团[26]，以及温和的酸活化以更新灰分表面[27]。然而，对于高碳-灰含量、表面异质性强和粒径细的GFS，关于机械和化学联合处理如何增强TES的系统研究仍然有限。特别是，缺乏将碳-灰颗粒的表面改性与电性能变化以及GFS的TES性能变化明确联系起来的研究。
本研究提出了一种基于碳和灰分颗粒表面改性的GFS强化TES方法。采用了一种机械化学协同策略。首先使用短时间球磨诱导结构重组，促进碳-灰复合体的释放，增加表面暴露和潜在反应位点的可及性。随后使用煤油、水杨酸、醋酸和木质素作为代表性改性剂进行界面化学调节。通过激光粒径分析、FTIR和XPS表征了粒径和表面官能团的变化。测量了电阻率和相对介电常数（RDC），并使用在线法拉第杯系统确定了CMR。从而系统描述了改性颗粒的电响应。然后通过控制实验评估了TES性能，并量化了表面改性对碳-灰分离效率的影响。进一步分析了机械诱导破碎和化学驱动的表面重构之间的协同机制。特别关注了煤油形成的疏水烷基涂层以及水杨酸诱导的芳香环-羧基配位/共轭作用在电荷保持和极化损失中的作用。总体而言，建立了碳和灰分颗粒表面改性、电性能和TES行为之间的明确联系，为GFS的强化干法分离和碳-灰资源利用提供了理论见解和工艺指导。
材料
本研究使用的GFS来自中国宁夏的一个煤气化厂。通过该厂的黑水处理系统进行浓缩和压力过滤后，采用随机采样方法收集了代表性样品。样品在105°C下烘烤12小时至恒重，然后存放在干燥器中，以减少环境湿度和测试过程中挥发性物质波动的影响。干燥后的GFS进行了近似分析
经机械球磨改性的GFS的电性能
电阻率是反映晶格对电子迁移阻力的内在物理性质。如图2a所示，GFS的压实和松散电阻率在球磨时间开始时降低，随后增加。原始材料的压实电阻率为56.96 Ω·m，球磨3分钟后降至19.4 Ω·m，降低了66%。在此阶段，颗粒细化和碳质相与无机相之间的界面重构促进了
结论
- (1)
短时间球磨有效实现了GFS中碳-灰颗粒的结构重组和表面活化。球磨2分钟后，粒径显著细化，D50和D90分别降低了43.7%和72.8%。极性官能团如–OH和–CO2有效暴露，使松散电阻率从1082.7 Ω·m降至206.4 Ω·m，CMR增加到-38.10 nC/g。施加的机械能促进了碳-灰的释放
CRediT作者贡献声明
周慧：撰写——原始草稿、软件、方法论、研究、数据管理、概念化。陈英华：监督、资源提供。李海生：撰写——审稿与编辑、监督、资源提供、资金获取。陈聚凯：撰写——审稿与编辑。姚杰：验证、研究。王海峰：监督。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
