交联多孔分散剂的吸附作用对煤中游离水含量及煤浆可泵性的调控影响

《Fuel》：Effect of the adsorption of a cross-linked porous dispersant on the regulation of free water and slurryability of coal

煤气化细渣通过硼砂熔剂处理制备成微波吸收复合材料，优化配比10wt%时实现1.69mm厚度下最小反射损耗-50.2dB，有效吸收带宽5.2GHz，源于导损耗、界面极化和磁损耗协同作用。

　　

作者：Xi Shilong、Yuan Xiaoyan、Wang Xingyu、Li Haixiong

单位：陕西科技大学材料科学与工程学院，陕西先进材料实验室，中国西安710021

摘要

煤气化细渣（CGFS）是煤气化过程中的主要固体残留物。本文采用了一种简便的无溶剂固态方法对CGFS进行了改性，使用十水合四硼酸钠（Na?B?O?·10H?O，即硼砂）作为无机助熔剂。硼砂促进了CGFS中玻璃相和残余碳（RC）的相互整合，形成了丰富的异质界面，并将含铁污染物转化为金属铁，从而使硼砂改性的CGFS具有良好的抗氧化性能和微波吸收性能。当硼砂在CGFS中的添加量为10 wt%时，所得复合材料在13.0 GHz处的最小反射损耗（RL）为-50.2 dB，在1.69 mm厚度下的有效吸收带宽（EAB，RL < -10 dB）为5.2 GHz。其优异的微波吸收性能源于良好的阻抗匹配以及导电损耗、界面极化和适度磁损耗的协同作用。本研究为将CGFS转化为高性能微波吸收材料提供了一种可扩展的策略，实现了其的高值利用。

引言

煤气化细渣（CGFS）是一种来自清洁煤技术的大量固体废物，年排放量达数千万吨。在气化过程中，煤颗粒在高温高压下转化为灰分颗粒，其中细小颗粒随合成气一起排出形成CGFS [1]、[2]。露天堆放CGFS不仅占用土地资源，还可能通过重金属渗漏污染水和土壤。值得注意的是，经过高温气化（>1350℃）后，CGFS含有20–36 wt%的残余碳（RC）和64–80 wt%的玻璃态物质，以及丰富的多孔结构，这些都有利于电磁波（EMW）的衰减 [3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。此外，CGFS中的玻璃态物质和含铁污染物可以平衡阻抗匹配并引入磁损耗 [9]。因此，CGFS在理论上具有成为高效微波吸收材料的潜力。

目前，提高CGFS的微波吸收性能主要集中在RC的提取和复合材料改性方面。具体方法包括酸浸、碱洗等工艺，然后将RC与磁性颗粒复合以增强磁介电协同损耗 [10]、[11]、[12]。例如，He等人通过化学共沉淀将Fe?O?纳米颗粒负载到CGFS中的氮掺杂RC表面，实现了1.5 mm处最小反射损耗（RL）为-37.3 dB和有效吸收带宽（EAB，RL ≤ -10 dB）为4.16 GHz [10]；Gao等人通过水热法合成了ZnFe?O?/RC纳米复合材料，其RL和EAB分别为-38.99 dB和3.20 GHz [11]；Gao等人通过热还原将Fe纳米颗粒负载到RC表面，在1.5 mm处获得了良好的吸收性能 [12]。然而，这些方法存在明显局限性：RC分离过程消耗大量酸碱试剂（如盐酸、氢氧化钠），容易导致二次污染；分离后丢弃的无机矿物（占CGFS总质量的60%-80%）造成资源浪费 [13]、[14]。因此，探索一种无需分离直接利用CGFS的改性方法对于促进其大规模资源化利用具有重要意义。

十水合四硼酸钠（Na?B?O?·10H?O，即硼砂）价格约为5.00-7.80元/千克，是一种广泛使用的工业添加剂，在高温下分解为Na?O和B?O?。硼酸盐作为硅酸盐的助熔剂，促进了RC与无机相之间的界面结合，改善了阻抗匹配。同时，煤矿过程中CGFS中的铁基污染物通过碳热反应被还原为金属铁，进一步增加了磁损耗。本研究通过一步煅烧原始CGFS与硼砂制备了硼砂改性的复合材料，系统研究了硼砂含量对相变、微观结构、元素分布和电磁参数的影响。当硼砂在CGFS中的质量分数为10 wt%（0.5 g硼砂：5 g CGFS）时，该复合材料在1.69 mm厚度下的最小反射损耗为-50.17 dB，有效吸收带宽为5.20 GHz（12.8–18 GHz）。这种方法为CGFS的高值利用提供了一种简便、低成本的途径，并为设计经济高效的高性能微波吸收材料提供了实用平台。

材料

CGFS由中国陕西榆林能源有限公司提供。样品按照国家标准（GB/T212-2008）进行了工业分析和元素分析，灰分分析采用X射线荧光光谱仪（XRF，PANalytical Axios）进行，结果见表1。十水合四硼酸钠（Na?B?O?·10H?O，硼砂，分析级）和聚乙烯醇（PVA，分析级）购自中国医药化学试剂有限公司，并进行了去离子处理。

微观结构和组成

硼砂/CGFS复合材料是通过一步煅烧原始CGFS与硼砂制备的。复合材料的制备过程如图1所示。干燥后的CGFS粉末与硼砂均匀混合，然后通过机械力将混合粉末制成颗粒并压制成形，提高了反应过程中的传质效率，促进了反应的顺利进行。在高温下，硼酸盐作为助熔剂促进了紧密的界面结合。

结论

总结来说，本文提出了一种新的CGFS高值利用方法，主要结论如下：

(1) 硼砂改性的CGFS具有良好的抗氧化性能和微波吸收性能。最佳硼砂用量为5 g CGFS中的0.5 g。硼砂-0.5/CGFS复合材料在1.69 mm厚度下的有效吸收带宽（EAB）为5.20 GHz，在1.88 mm厚度下的最小反射损耗（RL）为-50.17 dB。

(2) 其优异的性能主要源于材料的导电性。

作者贡献声明

Xi Shilong：撰写初稿、资料收集、实验研究。 Yuan Xiaoyan：指导、资金申请、数据管理、概念构思。 Wang Xingyu：软件开发、数据分析。 Li Haixiong：撰写修订稿。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：52272302）的支持。