氧化镁（MgO）含量对高岭石质煤矸石高温相变过程以及堇青石（cordierite）生成的影响

《Applied Clay Science》：Effect of MgO content on high-temperature phase transformation of kaolinitic coal gangue and on the production of cordierite

本研究以山西宁武煤矿洗选煤矸石为原料，掺加0-20 wt% MgO，通过高温热处理探究其相变规律及合成 cordierite 的机制，发现 MgO 调控下形成的前驱相（尖晶石、镁铝尖晶石）促进 cordierite 成核，最佳 MgO 掺量 10-15 wt% 时 cordierite 产率达最高，为煤矸石高值化利用提供新策略。

　　这项研究探讨了使用高岭石型煤矸石作为原料合成堇青石的可行性，以及镁氧化物（MgO）掺杂对煤矸石高温相变过程的影响。研究对象来自山西省宁武煤田平朔矿区的煤矸石，该地区是重要的煤炭生产基地之一。通过系统地分析不同MgO掺杂比例（0-20 wt%）下的煤矸石高温相变路径，研究人员揭示了其在工业废弃物再利用方面的潜力，为煤炭行业的高附加值资源化利用提供了新的思路。

煤矸石是煤炭开采过程中产生的工业固体废弃物，占煤炭产量的10-20%。在中国，煤炭作为主要能源，2020年的产量约为4亿吨，导致大约7.29亿吨的煤矸石产生。煤矸石主要由硅（Si）和铝（Al）等无机化学成分构成，属于一种铝硅酸盐类废弃物。其成分复杂且具有显著的异质性，因此在实际应用中需要仔细筛选和处理。煤矸石根据来源可以分为两种类型：开采矸石和洗选矸石。其中，洗选矸石的成分更为稳定，更适合用于工业生产。例如，在中国北方，煤层的夹矸主要由高岭石、石英以及一些含铁矿物组成，而高岭石因其高纯度而被视为一种优质的原材料，适用于高价值的应用。

传统的煤矸石管理方法包括坑道填充、道路建设、土地复垦、塌陷区回填以及低热值煤矸石发电等。然而，这些方法主要关注于煤矸石的低价值利用，未能充分挖掘其潜在的高附加值应用。近年来，随着对玻璃陶瓷和莫来石陶瓷等材料研究的深入，煤矸石作为原材料的潜力逐渐受到重视。此外，利用废黏土矿物（如高岭石废料）和煤矸石合成堇青石陶瓷的研究也日益增多。研究表明，添加镁氧化物可以调控相变过程，促使固废原料在高温下的结构重组，同时主导堇青石的结晶过程。值得注意的是，镁氧化物诱导形成的新型相（如镁橄榄石和镁尖晶石）是堇青石合成的关键前驱体。然而，目前大多数研究集中在材料的性能表现（如机械强度、耐久性和功能性），而对煤矸石及其添加剂在高于1000°C的高温相变过程仍缺乏系统的研究。

在本研究中，研究人员使用了来自平朔矿区的高岭石型煤矸石，通过调整MgO的掺杂比例，分析了其在高温下的相变行为和机制。实验过程中，煤矸石首先经过颚式破碎机粗碎，然后研磨至200目，以便于后续的混合和处理。所使用的MgO粉末为分析试剂级，确保其纯度和稳定性。通过多种分析手段（包括X射线衍射、差示扫描量热分析、扫描电子显微镜和高分辨率透射电子显微镜）对煤矸石的相变过程进行了详细表征。结果表明，未掺杂的系统在高温下经历了从高岭石到偏高岭石，最终到莫来石的相变过程。而在MgO掺杂系统中，MgO优先与高温相变过程中形成的非晶态二氧化硅和非晶态氧化铝反应，促进镁橄榄石和镁尖晶石的形成，同时抑制莫来石的结晶。莫来石作为堇青石合成的关键中间相，为堇青石的结晶提供了必需的铝元素。

研究进一步指出，MgO掺杂比例对堇青石的结晶路径具有重要影响。在不同MgO含量条件下，堇青石的形成可以分为三种不同的路径：（i）镁尖晶石与二氧化硅反应生成堇青石；（ii）在Mg元素不足的条件下，镁橄榄石与莫来石和二氧化硅结合生成堇青石；（iii）在Mg元素丰富的条件下，镁橄榄石转化为透辉石，随后与莫来石和二氧化硅反应生成堇青石。此外，实验还发现，当MgO掺杂比例在10-15 wt%时，堇青石的产率达到最佳水平。这表明，通过合理调控MgO的添加量，可以有效提高煤矸石在合成堇青石过程中的利用率。

研究结果验证了煤矸石作为高价值陶瓷生产原料的可行性，并提出了一种创新的废弃物资源化利用策略。通过将煤矸石与镁氧化物结合，不仅能够减少工业废弃物的排放，还能提高资源的利用效率，为煤炭行业的可持续发展提供了新的方向。堇青石陶瓷因其优异的性能（如低介电常数、低热膨胀系数和高化学稳定性）而被广泛应用于电子领域，因此，如果煤矸石能够成功地被用于生产此类材料，将为煤矸石的高附加值利用树立一个典范。

研究还指出，煤矸石在高温下的相变过程对于材料的最终性能具有决定性影响。通过控制反应条件和添加物的比例，可以优化材料的结构和性能。例如，镁氧化物的添加不仅能够调控相变路径，还能促进新型相的形成，从而改善材料的热稳定性和机械强度。此外，煤矸石中的高岭石在高温下分解为偏高岭石和莫来石，这一过程为堇青石的合成提供了必要的前驱体。因此，理解煤矸石在高温下的相变行为，对于开发其高附加值应用具有重要意义。

研究团队还强调了该研究在实际应用中的价值。通过将煤矸石与镁氧化物结合，不仅可以实现资源的循环利用，还能减少环境污染。这一策略符合当前全球对于可持续发展的要求，即通过技术创新和资源优化，实现工业废弃物的最小化和资源化。此外，该研究还为相关领域的进一步研究提供了基础，例如，如何进一步优化反应条件以提高材料的性能，以及如何将这一技术推广到其他类型的煤矸石和工业废弃物的处理中。

总之，本研究通过系统地分析煤矸石在不同MgO掺杂比例下的高温相变过程，揭示了其在合成堇青石方面的潜力。研究结果不仅为煤矸石的高附加值利用提供了理论支持，还为煤炭行业的可持续发展提供了新的思路。通过将煤矸石作为原材料，结合镁氧化物的添加，可以有效提高资源的利用效率，减少环境污染，同时开发出具有优异性能的新型材料。这一研究为未来在煤矸石资源化利用方面的进一步探索奠定了坚实的基础。