刘浪教授：镁渣的改性及其在矿山充填领域的应用探索

创新点

（1）创新了高效、低成本的冶炼镁渣源头改性技术，提出了使用化学优化剂对镁渣改性处理，阐明了化学优化剂对镁渣的改性原理与改性过程。

（2）制备了以改性镁渣-粉煤灰为胶凝材料、以风积沙为骨料的全固废矿用充填材料，探明了新型充填材料的流动、力学与环境性能。

镁渣的改性及其在矿山充填领域的应用探索

作者：刘浪1，阮仕山1，方治余1，侯东壮2,3，张波1，孙伟吉1

单位：1.西安科技大学 能源学院；2.西安科技大学 地质与环境学院；3.西安弗尔绿创矿业科技有限责任公司

背 景

镁及镁合金具有低密度、良好阻尼性能、储氢容量大等优异的物理化学性能，在航空航天、交通运输和电子3C等领域有很好的应用前景。随着经济和科技的快速发展，国际市场对镁的需求不断增加，我国依托白云石的资源优势，已成为世界最大的原镁生产地。根据美国地质调查局统计，全球对原镁需求量仍处于稳中有升阶段，2019年世界原镁产量110万t，其中中国产量为 90万t，占世界总产量的80％以上。

炼镁可采用皮江法和电解法，由于皮江法工艺简单，成本低、投资回收快，我国几乎都采用皮江法炼镁。皮江法属于能源和资源密集工艺，生产需消耗大量的煤炭资源，而中国西北地区的煤炭资源十分丰富，其中陕西榆林地区煤矿数量多，规模大，因而该地区聚集了大量的炼镁企业（约 50多家）。据统计，该地区原镁年产量稳定在50万t左右，占中国年产量的50%以上。值得注意的是，皮江法炼镁每生产1.0t金属镁，产出5.0～7.0t镁渣。以2019年为例，全国镁渣累积量为450万~630万ｔ，仅榆林就排放近300多万t。随着世界镁金属市场的不断扩张，该数据还将持续增加。近年来，许多专家对镁渣处理提供了宝贵意见，诸如将镁渣作为水泥熟料，作为辅助胶凝材料混合或替代部分水泥、用于脱硫、生产墙体材料和免烧砖等建筑材料、改性沥青和制备肥料等诸多应用，这些研究为如何处置镁渣提供了许多思路，但是镁渣自身活性低，具有膨胀性，还存在利用率低和成本高等问题，实际上大量的镁渣仍然没有得到有效处理。 目前，大部分冶炼厂将镁渣倾倒在荒地或深沟填埋，大量镁渣堆积造成诸多环境和健康问题：①镁渣在自然冷却过程中粉化，大量粉尘物悬浮造成大气污染，威胁身体健康；②镁渣填埋占用大量土地，且易发生次生危害，如使土壤盐碱化，造成土壤板结和滑坡等地质灾害问题；③炼镁过程中可能造成污染元素在镁渣中富集，有造成土壤和地下水污染的风险；④根据《中华人民共和国环境保护税法》规定，企业需按照固废排放量向政府交税，而镁渣的排放显然增加了企业负担。因此，寻找镁渣大宗化无害化处理的有效途径，并进行资源化利用迫在眉睫。 从国内外固废资源的处置和实践来看，依托矿山充填无疑是大规模处理镁渣的最佳模式，该模式具有保护环境、节省土地资源等优点，符合国家绿色可持续发展的要求。然而，目前鲜见关于镁渣充填的研究，只有李亚芳提出利用镁渣作为充填材料，但至少要消耗10%的水泥才能满足使用要求。就充填而言，通常选用硅酸盐水泥作为黏结剂，而水泥占充填总成本的70%以上，这也是充填技术在采矿中全面推广的主要制约因素之一。

摘 要

随着全球镁行业的快速发展，以皮江法为主的炼镁过程中产生大量冶炼废渣（镁渣）不断堆积，对环境的威胁与日俱增。如何大规模无害化处理镁渣，并实现镁渣的资源化利用，对推进金属镁行业的发展和环境的保护至关重要。通过总结镁渣的基本特性和应用现状，分析了镁渣的膨胀和胶凝特性机理。

鉴于镁渣活性低，大多数镁渣的应用常常配合粉磨、急冷和添加激活剂等激活方式，但是仍然没有根本解决镁渣活性低和膨胀的问题。因此，提出了使用化学稳定剂对镁渣进行改性处理，阐明了改性原理和改性过程，并通过室内实验和工业实验成功获得了一种改性镁渣（MMS）。 MMS呈完整球团状，硬度高且性质稳定，富含β-Ca2SiO4，具有良好的水化活性。在此基础上，研究使用MMS混合粉煤灰作为胶凝剂，并以风积沙为骨料制备了一种新型膏体充填材料（MFPB），发现MFPB具有良好的基本性能。其中，MFPB的mini-坍落度值在127～141 mm，28 d强度可达5.249～7.491 MPa，并且具有良好的环境稳定性。 基于以上理论和试验研究，在麻黄梁煤矿开展了工业试验，将MFPB用于井下充填，井下28 d取心平均强度可达6.23 MPa。如将该技术推广，不仅能把镁渣、粉煤灰等固废进行大规模产业化处理，还可大幅度降低矿山充填的成本。

图 片

镁渣的XRD和SEM图

硅酸二钙随温度变化的多晶型转变

常用的粉磨镁渣方式

浇水冷却高温镁渣

镁渣改性的工艺流程

工业试验

试验样品保温前后的差异

镁渣和改性镁渣的对比

MMS的XRD和SEM图

改性镁渣用于矿山充填的思路

MFPB原材料的粒径分布

新鲜MFPB样品的mini-坍落度结果

MFPB样品的单轴抗压强度随养护时间发展的关系

条带充填示意

井下MFPB取心强度

作者简介

刘浪，男，陕西靖边人，1985年1月出生，博士（后），西安科技大学教授，博士生导师，澳大利亚西澳大学联合培养博士，韩国仁荷大学高级访问学者。先后获得教育部霍英东青年教师奖、全国煤炭青年五四奖章、陕西省青年科技奖，入选陕西省青年“百人计划”、陕西省青年科技新星、全国高校矿业石油与安全工程领域优秀青年科技人才提名、西安科技大学胡杨学者等。担任《Applied Catalysis B:Environmental》等20余个国内外学术期刊审稿人，中国有色金属学会矿山信息化智能化专业委员会常务委员，韩国仁荷大学国际学术委员会委员，《煤炭学报》、《Journal of Central SouthUniversity》、《西安科技大学学报》、《金属矿山》青年编委。

主要从事矿山功能性充填、固废规模化处置与资源化利用等方面的理论与技术研究。先后主持国家自然科学基金4项（3面上/1青年）、中国博士后基金1项、陕西省自然科学基金2项；在《煤炭学报》、Constr. Build. Mater.，J. Environ. Manage. 等期刊发表论文100余篇，其中SCI收录66篇（第一/通讯58篇），EI收录18篇；出版专著1部，出版“十二五”规划教材1部；获授权国家发明专利50余项；获得省部级一等奖4项、二等奖6项。

刘浪，阮仕山，方治余，等．镁渣的改性及其在矿山充填领域的应用探索[J]． 煤炭学报，2021，,46（12）：3833-3845．

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