通过硼砂介导提高煤气化细渣的微波吸收性能

《Fuel》：Enhance microwave absorption performance of coal gasification fine slag via borax Mediating

煤气化细渣通过硼砂熔融改性实现微波吸收性能提升，形成异质界面并还原铁污染物增强磁损耗。10wt%硼砂改性后复合材料厚度1.69mm时实现最低反射损耗-50.2dB，有效吸收带宽5.2GHz。该工艺无二次污染且成本较低，为固废资源化提供了新路径。

　　

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渣。本文采用一种简单、无溶剂的固态方法对CGFS进行了改性，使用十水合四硼酸钠（Na₂B₄O₇·10H₂O，即硼砂）作为无机熔剂。硼砂促进了CGFS中的玻璃相和残余碳（RC）的相互融合，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频率下的最小反射损耗（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。这种优异的微波吸收性能源于良好的阻抗匹配以及导电损耗、界面极化和中等磁损耗之间的协同作用。本研究建立了一种可扩展的策略，将CGFS转化为高性能的微波吸收材料，实现了其的高值利用。

引言

煤气化细渣（CGFS）是清洁煤技术产生的大量固体废弃物，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同排出形成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中含有20–36 wt%的残余碳（RC）和64–80 wt%的玻璃质物质，以及丰富的多孔结构，这些特性为电磁波（EMW）的衰减创造了有利条件 [3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。此外，CGFS中的玻璃质物质和含铁污染物可作为平衡阻抗匹配和引入磁损耗的潜在材料 [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。具体而言，通过酸浸、碱洗等工艺分离CGFS中的RC，然后将其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Fe₃O₄纳米颗粒负载到CGFS中的RC表面，实现了1.5 mm厚度下最小反射损耗（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ZnFe₂O₄/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厚度下获得了良好的吸收性能 [12]。然而，上述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（占总CGFS质量的60%-80%）造成了资源浪费 [13]、[14]。因此，探索一种无需分离即可直接利用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（Na₂B₄O₇·10H₂O，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，在高温下会分解为Na₂O和B₂O₃

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）完成，结果见表1。十水合四硼酸钠（Na₂B₄O₇·10H₂O，分析级）和聚乙烯醇（PVA，分析级）购自中国药科大学化学试剂有限公司，并进行了去离子处理。

微观结构与组成

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。首先将干燥的CGFS粉末和硼砂均匀混合，然后通过机械力将混合粉末粒化并干压成形，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，硼酸盐作为熔剂促进了界面间的紧密结合。

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和微波吸收性能。最佳硼砂用量为CGFS质量的0.5%。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： 负责撰写初稿、资料收集和实验研究。

Xiaoyan Yuan： 负责监督、资金争取和数据管理，以及概念构思。

Xingyu Wang： 负责软件开发和数据分析。

Haixiong Li： 负责文本修订和编辑。

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。