一种煤矸石基活性粉体制备及固化核素Se的方法

一种煤矸石基活性粉体制备及固化核素se的方法
技术领域
1.本发明涉及煤基固废综合利用及放射性固废安全处置领域，具体涉及一种煤矸石基活性粉体制备及固化核素se的方法。


背景技术：

2.煤矸石是煤炭开采和洗选加工过程中产生的固体废弃物，大量堆存不仅会占据大量的土地资源，而且其中的有害物质会污染土壤、水源及大气。此外，煤矸石山堆放不规范、结构疏松，稳定性差，在无序开挖和自然雨水冲刷的情况下，极易引发滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害，给当地人员的生命和财产安全构成严重威胁。因此，亟需开展煤矸石的资源化综合利用工作。
3.另外，
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se是铀的长寿命裂变产物之一，半衰期长达2.8
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105年，是乏燃料后处理过程中备受关注的放射性核素。自然环境中，se的主要化合价态有se(vi)、se(iv)、se(0)和 se(-ii)。
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se(iv)和
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se(vi)是
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se在核废料中常见的价态形式，在酸性或碱性环境中均具有很强的流动能力。一旦
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se被排放至人类环境中，将会导致大面积的土壤或水体污染，势必会给人类带来巨大的灾难。因此，针对富含
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se的废弃物，需要无害化处置。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术存在的上述技术问题，本发明提供了一种变废为宝、环保经济、性能优越的煤矸石基活性粉体制备及固化核素se的方法，以解决现有煤矸石废弃物得到不妥善处理的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种煤矸石基活性粉体制备及固化核素se的方法，其包括以下步骤：
6.1)以富含高岭石的煤矸石为原料，经过破碎或磨矿，分选得到黄铁矿、残煤和选后煤矸石三种产物；
7.2)将步骤1)得到的选后煤矸石中的一部分与碱性物料混合后，以步骤1)中的残煤为供热热源进行碱熔焙烧，得到碱熔物料，所述碱性物料为氢氧化钠、碳酸钠、氢氧化钾中的一种或多种；
8.3)将步骤1)得到的选后煤矸石中的另一部分以步骤1)中的残煤为供热热源进行高温煅烧，以将含有的高岭土转变为偏高岭土，得到矸石煅烧物料；
9.4)将步骤2)得到的碱熔物料与步骤3)得到的矸石煅烧物料，以及镁基添加剂和黄铁矿按质量比为1-3:5-7:0.5-0.8:0.3-0.5混合、研磨，得到煤矸石基活性粉体材料；
10.5)将含se废弃物与步骤4)得到的煤矸石基活性粉体材料混合，含se固废的含量控制在30％以内，加水反应，经过养护、成型，形成将含se废弃物中的核素se固化在其中的地质聚合物固化体，然后地质填埋。
11.作为本发明的进一步优选技术方案，步骤1)中的破碎处理采用颚式破碎机和/或球磨机，破碎的煤矸石粒度小于0.25mm。
12.作为本发明的进一步优选技术方案，步骤1)中采用两段浮选法进行分选，具体为，一段浮选选出残煤，二段浮选选出黄铁矿和选后煤矸石。
13.作为本发明的进一步优选技术方案，所述两段浮选法中，一段浮选采用烃类复配药剂作为捕收剂，仲辛醇作为起泡剂进行浮选，二段浮选采用硫酸调节ph和硫酸铜作为活化剂，黄药作为捕收剂，2号油作为起泡剂进行浮选。
14.作为本发明的进一步优选技术方案，步骤2)中，碱熔焙烧的温度为500～850℃，时间为1.5～5h。
15.作为本发明的进一步优选技术方案，步骤3)中，煅烧温度为500～700℃，时间为3～ 12h。
16.作为本发明的进一步优选技术方案，步骤4中，镁基添加剂为氧化镁或氢氧化镁。
17.作为本发明的进一步优选技术方案，步骤4)中，研磨后得到的煤矸石基活性粉体材料的粒度为40微米以下。
18.作为本发明的进一步优选技术方案，步骤5)中，养护的条件为：首先在室温下密封养护一天，之后脱模，再在温度为20-80℃，湿度为85-95％的条件下继续养护3-28天。
19.本发明的煤矸石基活性粉体制备及固化核素se的方法，采用上述技术方案，可以达到如下有益效果：
20.1)煤矸石作为产量较大的大宗固废之一，本发明可以有效地消纳煤矸石，解决煤矸石堆积的环境问题，同时将制备的活性粉体材料应用于固化含se固废，实现“以废治废”的理念，降低含se固废处理成本；
21.2)利用煤矸石中硅、铝主要成分制备成活性粉体材料，类似水泥材料，通过加水反应即可实现固化，反应过程涉及到硅、铝主要成分的解聚、键合，形成以硅、铝组分为主的三维网状结构的地质聚合物固化体，解决了传统制备地质聚合物工艺中的碱液使用问题；
22.3)充分利用煤矸石中的化学组分，将黄铁矿加入，有针对性的对高化合价se废弃物设计物料组分，其目的是利用二价铁的还原性将高化合价se还原为低价，实现se的稳定固化。
附图说明
23.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
24.图1为本发明煤矸石基活性粉体制备及固化核素se的方法提供的一实例的流程图；
25.图2为本发明地质聚合物固化体的微观结构及固化se的机理图。
26.本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
27.下面将结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述。较佳实施例中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等用语，仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
28.本技术鉴于煤矸石中硅、铝的主要成分，以煤矸石为原料制备作为固化材料的煤
矸石基活性粉体，并应用到含se固废的安全处置，实现“以废治废”的理念。
29.如图1所示，本发明提供了一种煤矸石基活性粉体制备及固化核素se的方法，其包括以下步骤：
30.步骤1)、以富含高岭石的煤矸石为原料，经过破碎、浮选，分选得到黄铁矿、残煤和选后煤矸石三种产物。
31.具体实施中，破碎处理采用颚式破碎机和/或球磨机，破碎的煤矸石粒度小于0.25mm，实现残煤和黄铁矿的有效解离。浮选处理采用两段浮选法，其中，一段浮选选出残煤，二段浮选选出黄铁矿和选后煤矸石。
32.优选地，两段浮选法中，一段浮选采用烃类复配药剂作为捕收剂，仲辛醇作为起泡剂进行浮选，二段浮选采用硫酸调节ph和硫酸铜作为活化剂，黄药作为捕收剂，2号油作为起泡剂进行浮选。
33.步骤2)、将步骤1)得到的选后煤矸石中的一部分与碱性物料混合后，并以步骤1)中的残煤为燃料进行碱熔焙烧，得到碱熔物料，所述碱性物料为氢氧化钠、碳酸钠、氢氧化钾中的一种或多种。
34.具体实施中，碱熔焙烧是使部分煤矸石转变为可溶态硅铝，作为激发剂使用。碱熔焙烧的温度为500～850℃，时间为1.5～5h。
35.步骤3)、将步骤1)得到的选后煤矸石中的另一部分以步骤1)中的残煤为燃料进行高温煅烧，以将含有的高岭土转变为偏高岭土，得到矸石煅烧物料。
36.具体实施中，煅烧是使高岭土变为偏高岭土，使煤矸石具有活性。煅烧温度为500～ 700℃，时间为3～12h。
37.步骤4)、将步骤2)得到的碱熔物料与步骤3)得到的矸石煅烧物料，以及镁基添加剂和黄铁矿按质量比为1-3:5-7:0.5-0.8:0.3-0.5混合、研磨，得到煤矸石基活性粉体材料(流程图中简称为活性物料)。
38.具体实施中，镁基添加剂为氧化镁或氢氧化镁。研磨后得到的煤矸石基活性粉体材料的粒度为40微米以下，较细的粒度，有利于后续的成型及固化过程中加快反应进行。
39.优选地，黄铁矿的加入，可利用黄铁矿在加水环境中进行氧化还原反应，以在后续的固化过程中，将高化合价se还原为低价，增加固化稳定性。同时，黄铁矿的添加量相对较低，不会影响整体材料的强度及稳定性，即通过少许两的添加，即可满足设计需求。
40.步骤5)、将含se固废与步骤4)得到的煤矸石基活性粉体材料混合，含se固废的含量控制在30％以内，加水反应，经过养护、成型，形成将含se废弃物中的核素se固化在其中的地质聚合物固化体，然后地质填埋。
41.具体实施中，养护的条件为：首先在室温下密封养护一天，之后脱模，再在温度为 20-80℃，湿度为85-95％的条件下继续养护3-28天。
42.本发明提出的煤矸石基活性粉体制备及固化核素se的方法，以煤炭开采和洗选加工过程中产生的固体废弃物(煤矸石)作为初始原料，合理地利用煤矸石中硅铝主要成分来制备地质聚合物，通过对固化有核素se的地质聚合物固化体进行研究，结果表明，se含氧阴离子可以以静电力的形式赋存于地质聚合物三维网状结构中。在固化过程中，将煤矸石中黄铁矿作为还原性添加剂，使煤矸石基活性粉体材料具备了还原特性，可将高价se还原为更为稳定的低价se，从而提高固化稳定性。在固化核素se的过程中，将添加有黄铁矿与未添
加黄铁矿的样品进行比较，其中添加有黄铁矿的情况下可使浸出率降低20％以上；此外，镁基添加剂的加入，进一步使得地质聚合物结构致密(如表1所示)。在固化核素se的过程中，将添加有镁基添加剂与未添加镁基添加剂的样品进行比较，其中添加有镁基添加剂的情况下可使浸出效率降低35％以上。
43.表1.地质聚合物固化体样品的比表面积、孔体积及密实度数据
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为了进一步研究本发明的地质聚合物固化体的结构特性，通过在电镜下观察，可以看到其地质聚合物呈现三维网状空间结构，将核素se固化在该地质聚合物固化体中，则钠离子以键桥的方式将se含氧阴离子与铝氧四面体负电荷平衡，使得se含氧阴离子在地质聚合物中以静电力形式赋存，如图2所示。
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虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域熟练技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对本实施方式做出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质，本发明的保护范围仅由所附权利要求书限定。