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創新點
（1）創新了高效、低成本的冶煉鎂渣源頭改性技術，提出了使用化學最佳化劑對鎂渣改性處理，闡明瞭化學最佳化劑對鎂渣的改性原理與改性過程。
（2）製備了以改性鎂渣-粉煤灰為膠凝材料、以風積沙為骨料的全固廢礦用充填材料，探明瞭新型充填材料的流動、力學與環境效能。
鎂渣的改性及其在礦山充填領域的應用探索
作者：劉浪1，阮仕山1，方治餘1，侯東壯2,3，張波1，孫偉吉1
單位：1.西安科技大學 能源學院；2.西安科技大學 地質與環境學院；3.西安弗爾綠創礦業科技有限責任公司
背 景
鎂及鎂合金具有低密度、良好阻尼效能、儲氫容量大等優異的物理化學效能，在航空航天、交通運輸和電子3C等領域有很好的應用前景。隨著經濟和科技的快速發展，國際市場對鎂的需求不斷增加，我國依託白雲石的資源優勢，已成為世界最大的原鎂生產地。根據美國地質調查局統計，全球對原鎂需求量仍處於穩中有升階段，2019年世界原鎂產量110萬t，其中中國產量為 90萬t，佔世界總產量的80％以上。
煉鎂可採用皮江法和電解法，由於皮江法工藝簡單，成本低、投資回收快，我國幾乎都採用皮江法煉鎂。皮江法屬於能源和資源密集工藝，生產需消耗大量的煤炭資源，而中國西北地區的煤炭資源十分豐富，其中陝西榆林地區煤礦數量多，規模大，因而該地區聚集了大量的煉鎂企業（約 50多家）。據統計，該地區原鎂年產量穩定在50萬t左右，佔中國年產量的50%以上。值得注意的是，皮江法煉鎂每生產1.0t金屬鎂，產出5.0～7.0t鎂渣。以2019年為例，全國鎂渣累積量為450萬~630萬ｔ，僅榆林就排放近300多萬t。隨著世界鎂金屬市場的不斷擴張，該資料還將持續增加。近年來，許多專家對鎂渣處理提供了寶貴意見，諸如將鎂渣作為水泥熟料，作為輔助膠凝材料混合或替代部分水泥、用於脫硫、生產牆體材料和免燒磚等建築材料、改性瀝青和製備肥料等諸多應用，這些研究為如何處置鎂渣提供了許多思路，但是鎂渣自身活性低，具有膨脹性，還存在利用率低和成本高等問題，實際上大量的鎂渣仍然沒有得到有效處理。
目前，大部分冶煉廠將鎂渣傾倒在荒地或深溝填埋，大量鎂渣堆積造成諸多環境和健康問題：①鎂渣在自然冷卻過程中粉化，大量粉塵物懸浮造成大氣汙染，威脅身體健康；②鎂渣填埋佔用大量土地，且易發生次生危害，如使土壤鹽鹼化，造成土壤板結和滑坡等地質災害問題；③煉鎂過程中可能造成汙染元素在鎂渣中富集，有造成土壤和地下水汙染的風險；④根據《中華人民共和國環境保護稅法》規定，企業需按照固廢排放量向政府交稅，而鎂渣的排放顯然增加了企業負擔。因此，尋找鎂渣大宗化無害化處理的有效途徑，並進行資源化利用迫在眉睫。
從國內外固廢資源的處置和實踐來看，依託礦山充填無疑是大規模處理鎂渣的最佳模式，該模式具有保護環境、節省土地資源等優點，符合國家綠色可持續發展的要求。然而，目前鮮見關於鎂渣充填的研究，只有李亞芳提出利用鎂渣作為充填材料，但至少要消耗10%的水泥才能滿足使用要求。就充填而言，通常選用矽酸鹽水泥作為黏結劑，而水泥佔充填總成本的70%以上，這也是充填技術在採礦中全面推廣的主要制約因素之一。
摘 要
隨著全球鎂行業的快速發展，以皮江法為主的煉鎂過程中產生大量冶煉廢渣（鎂渣）不斷堆積，對環境的威脅與日俱增。如何大規模無害化處理鎂渣，並實現鎂渣的資源化利用，對推進金屬鎂行業的發展和環境的保護至關重要。透過總結鎂渣的基本特性和應用現狀，分析了鎂渣的膨脹和膠凝特性機理。
鑑於鎂渣活性低，大多數鎂渣的應用常常配合粉磨、急冷和新增啟用劑等啟用方式，但是仍然沒有根本解決鎂渣活性低和膨脹的問題。因此，提出了使用化學穩定劑對鎂渣進行改性處理，闡明瞭改性原理和改性過程，並透過室內實驗和工業實驗成功獲得了一種改性鎂渣（MMS）。
MMS呈完整球團狀，硬度高且性質穩定，富含β-Ca2SiO4，具有良好的水化活性。在此基礎上，研究使用MMS混合粉煤灰作為膠凝劑，並以風積沙為骨料製備了一種新型膏體充填材料（MFPB），發現MFPB具有良好的基本效能。其中，MFPB的mini-坍落度值在127～141 mm，28 d強度可達5.249～7.491 MPa，並且具有良好的環境穩定性。
基於以上理論和試驗研究，在麻黃梁煤礦開展了工業試驗，將MFPB用於井下充填，井下28 d取心平均強度可達6.23 MPa。如將該技術推廣，不僅能把鎂渣、粉煤灰等固廢進行大規模產業化處理，還可大幅度降低礦山充填的成本。
圖 片
鎂渣的XRD和SEM圖
矽酸二鈣隨溫度變化的多晶型轉變
常用的粉磨鎂渣方式
澆水冷卻高溫鎂渣
鎂渣改性的工藝流程
工業試驗
試驗樣品保溫前後的差異
鎂渣和改性鎂渣的對比
MMS的XRD和SEM圖
改性鎂渣用於礦山充填的思路
MFPB原材料的粒徑分佈
新鮮MFPB樣品的mini-坍落度結果
MFPB樣品的單軸抗壓強度隨養護時間發展的關係
條帶充填示意
井下MFPB取心強度
作者簡介
劉浪，男，陝西靖邊人，1985年1月出生，博士（後），西安科技大學教授，博士生導師，澳大利亞西澳大學聯合培養博士，韓國仁荷大學高階訪問學者。先後獲得教育部霍英東青年教師獎、全國煤炭青年五四獎章、陝西省青年科技獎，入選陝西省青年“百人計劃”、陝西省青年科技新星、全國高校礦業石油與安全工程領域優秀青年科技人才提名、西安科技大學胡楊學者等。擔任《Applied Catalysis B:Environmental》等20餘個國內外學術期刊審稿人，中國有色金屬學會礦山資訊化智慧化專業委員會常務委員，韓國仁荷大學國際學術委員會委員，《煤炭學報》、《Journal of Central SouthUniversity》、《西安科技大學學報》、《金屬礦山》青年編委。
主要從事礦山功能性充填、固廢規模化處置與資源化利用等方面的理論與技術研究。先後主持國家自然科學基金4項（3面上/1青年）、中國博士後基金1項、陝西省自然科學基金2項；在《煤炭學報》、Constr. Build. Mater.，J. Environ. Manage. 等期刊發表論文100餘篇，其中SCI收錄66篇（第一/通訊58篇），EI收錄18篇；出版專著1部，出版“十二五”規劃教材1部；獲授權國家發明專利50餘項；獲得省部級一等獎4項、二等獎6項。
來源：
劉浪，阮仕山，方治餘，等．鎂渣的改性及其在礦山充填領域的應用探索[J]． 煤炭學報，2021，,46（12）：3833-3845．
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