山西大學(xué)資源與環(huán)境工程研究所借助多項(xiàng)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)技術(shù)，將煤矸石和粉煤灰中所含的碳、硅、鋁等常量元素及鋰、鎵等稀有元素資源化，利用率達(dá)90%以上
    山西大學(xué)資源與環(huán)境工程研究所正在對(duì)煤炭伴生稀有金屬鋰、鎵提取技術(shù)進(jìn)行開發(fā)研究，他們還擁有煤礦井下瓦斯減排技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用示范、煤矸石硅鋁碳資源化高值利用技術(shù)、粉煤灰提取白炭黑聯(lián)產(chǎn)氧化鋁的技術(shù)及應(yīng)用開發(fā)等多個(gè)項(xiàng)目的研究成果，成為我省煤基固廢綜合利用的技術(shù)先鋒。研究所借助多項(xiàng)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)技術(shù)，將煤矸石和粉煤灰中所含的碳、硅、鋁等常量元素及鋰、鎵等稀有元素資源化，利用率達(dá)90%以上。

    粉煤灰助瓦斯減排
　今年6月，山西華晟榮煤礦有限公司采用山西大學(xué)資源與環(huán)境工程研究所研發(fā)的粉煤灰噴涂技術(shù)，建立起井下巷道瓦斯封堵材料噴涂示范工程，長(zhǎng)度達(dá)1500米。公司負(fù)責(zé)人張永紅說(shuō)，他們檢測(cè)了巷道封堵后的瓦斯涌出強(qiáng)度，比未封前降低了20%左右，效果達(dá)至預(yù)期。粉煤灰涂料原材料成本低，同市場(chǎng)上的有機(jī)涂料比，每平方米低30%到50%，噴涂后沒有有害氣體產(chǎn)生。此外，阻燃、抗靜電性能優(yōu)良，保證了礦用產(chǎn)品的使用安全。
    研究所教授程芳琴介紹，目前粉煤灰制備噴涂材料技術(shù)已經(jīng)成熟。利用粉煤灰超細(xì)粉制備井下封堵材料，開發(fā)瓦斯-風(fēng)量控制系統(tǒng)，從而減少瓦斯排放、降低溫室效應(yīng)，降低風(fēng)機(jī)電耗，利于乏風(fēng)利用。
    “涂料分液體和固體兩種組份，施工簡(jiǎn)單，用設(shè)備將涂料攪拌均勻，拿注漿泵噴到巷道煤壁上即可。”研究院教師薛芳斌說(shuō)，技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)在于：提高了原材料間的耦合性和相容性，同時(shí)具備抗靜電、阻燃燒等功能；提高噴涂材料中超細(xì)粉煤灰的摻用率以及研發(fā)礦井下連續(xù)式高效噴涂設(shè)備。
    從噴涂效果上看，如果粉煤灰燃燒不充分，碳含量較高時(shí)，做涂料外觀會(huì)發(fā)黑，水里攪拌、分散也不均勻。薛芳斌介紹制備過程：第一步，用浮選法對(duì)粉煤灰進(jìn)行脫碳，結(jié)合殘?zhí)己推渌�顆粒性質(zhì)優(yōu)選合適的浮選藥劑強(qiáng)化及改善浮選過程；第二，對(duì)粉煤灰顆粒進(jìn)行超細(xì)化，涂料越細(xì)涂層越致密，封頂效果越好；第三，加入合適的助劑制成噴涂材料。
    目前該技術(shù)已形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的系列成果和產(chǎn)品，是粉煤灰資源化利用新方向，可以提高巷道涂料的抗?jié)B性、耐久性，成本低，已在潞安集團(tuán)常村煤礦、潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)有限公司實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。

    高效利用硅、鋁、碳
    研究煤矸石的高效利用，主要是基于我省省情。”程芳琴說(shuō)，我省作為煤炭能源基地，由于特殊的地質(zhì)構(gòu)造，煤炭中伴生豐富的鐵、鋁、硅等常量元素。而煤矸石是采煤和洗煤過程中排放的固體廢物，棄置不用，占用大片土地；硫化物逸出或浸出會(huì)污染大氣、農(nóng)田和水體；還會(huì)自燃發(fā)生火災(zāi)，或在雨季崩塌，淤塞河流造成災(zāi)害。資料顯示，煤矸石年產(chǎn)生量已達(dá)5.6億噸，占全國(guó)工業(yè)固體廢棄物排放總量的40%以上，成為我國(guó)產(chǎn)量最大的工業(yè)固體廢棄物之一。由于利用率低，目前已累積堆放50多億噸，占地20萬(wàn)畝以上，帶來(lái)了非常嚴(yán)重的社會(huì)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)問題。
    研究煤矸石利用，從上個(gè)世紀(jì)六七十年代就開始了。薛芳斌介紹了現(xiàn)在煤矸石的幾種常見處理方式：一是充填塌陷區(qū)，解決塌陷地復(fù)墾問題；二是發(fā)電，在循環(huán)流化床鍋爐中燃燒供暖或發(fā)電，灰渣用來(lái)生產(chǎn)水泥等建筑材料；三是制磚，未經(jīng)自燃的矸石可用以配料制磚。
    “總體來(lái)說(shuō)，煤矸石在我國(guó)的利用多數(shù)走的是初、低級(jí)路線，利用率底，浪費(fèi)嚴(yán)重。”程芳琴帶領(lǐng)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的煤矸石硅鋁碳資源化高值利用技術(shù)，列入國(guó)家863計(jì)劃重大項(xiàng)目“大宗工業(yè)固廢綜合處理與資源化關(guān)鍵技術(shù)”，主要解決鋁、硅、碳等元素高效利用的關(guān)鍵科學(xué)和工程技術(shù)問題。
    高效利用就是實(shí)現(xiàn)煤矸石中有價(jià)化學(xué)元素資源化構(gòu)建新型產(chǎn)業(yè)鏈。實(shí)驗(yàn)室研究人員通過開發(fā)高效煤矸石燃燒-煅燒耦合設(shè)備、硅鋁的高效溶出和除雜、硅酸鈉溶液的過濾和碳化分離硅酸和碳酸鈉等技術(shù)，為煤矸石高值高效利用，提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)平臺(tái)，形成了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新技術(shù)、新工藝，并在潞安礦業(yè)有限責(zé)任公司建立了年消納2萬(wàn)噸煤矸石的示范廠。2015年，項(xiàng)目通過中國(guó)21世紀(jì)議程管理中心檢查驗(yàn)收。

    向“高精尖”挺進(jìn)
    為了解決現(xiàn)有粉煤灰提鋁、硅技術(shù)中氧化鋁和二氧化硅利用率低、過程復(fù)雜、廢渣產(chǎn)生量大的現(xiàn)狀，2013年，程芳琴團(tuán)隊(duì)又開展粉煤灰提取白炭黑聯(lián)產(chǎn)氧化鋁的技術(shù)及應(yīng)用開發(fā)，提高氧化鋁和二氧化硅的利用率。
    項(xiàng)目為我省科技重大專項(xiàng)立項(xiàng)項(xiàng)目，其技術(shù)好處在于，采用一步醋浸同步分離鋁硅技術(shù)，顯著簡(jiǎn)化過程，可將粉煤灰中95％以上的氧化鋁和二氧化硅提取出來(lái)，而且產(chǎn)生的廢渣量少，過程中產(chǎn)生的碳酸鈉和二氧化碳均可回收并循環(huán)利用，大大降低生產(chǎn)成本。
    “煤炭中除了伴生豐富的鐵、鋁、硅等常量元素，還含有鋰、鎵、鍺、稀土等重要的新興戰(zhàn)略性稀有金屬元素。”程芳琴說(shuō)，如今，煤矸石和粉煤灰中鋁、硅等元素的提取技術(shù)已趨于成熟，如何實(shí)現(xiàn)鋰、鎵等元素協(xié)同提取與高值利用，是新的課題。
    伴隨我國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)高端轉(zhuǎn)型以及新能源汽車、電子材料產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，鋰、鎵產(chǎn)品需求量急速攀升。但我國(guó)鋰資源供應(yīng)量嚴(yán)重滯后，對(duì)外依存度高達(dá)70%以上；鎵的探明儲(chǔ)量?jī)H為10萬(wàn)噸，其中50%以上為鋁土礦中伴生，其開采供給與市場(chǎng)價(jià)格嚴(yán)重受制于氧化鋁生產(chǎn)過程。
    針對(duì)這種情況，山西大學(xué)資源與環(huán)境工程研究所與中科院過程工程研究所、相關(guān)企業(yè)合作，共同研發(fā)煤炭伴生稀有金屬鋰、鎵提取技術(shù)，大幅度提升粉煤灰中多種資源協(xié)同利用的綜合效益。團(tuán)隊(duì)將通過開展粉煤灰伴生鋰、鎵資源高效分離研究工作，得到系列化鋰、鎵高值產(chǎn)品，以原創(chuàng)性工藝為核心，初步形成了鋁硅協(xié)同利用—鋰鎵元素高效吸附分離—產(chǎn)品高值利用整體化技術(shù)與產(chǎn)品體系。