一种煤基固废生态修复材料及其制备方法

本发明涉及煤矸石资源化利用，尤其涉及一种煤基固废生态修复材料及其制备方法。

背景技术：

1、随着煤炭开采和洗选工业的持续发展，煤基固废物，特别是煤矸石、煤泥和粉煤灰的大量产生，已成为我国当前最大的环境和资源挑战之一。煤矸石作为煤炭开采的副产物，排放量占原煤产量的10-15％，目前堆存量已超过70亿吨。长期随意堆放的煤矸石不仅侵占土地资源，破坏生态环境，还带来严重的空气、水源和土壤污染，甚至引发地质灾害，危害人类安全。同样，煤泥因含水率高、成分复杂，堆放后易造成泥沙沉积和水污染，而粉煤灰作为燃煤电厂的主要副产物，年排放量高达7.9亿吨，堆存带来的生态和环境压力不容忽视。

2、煤基固废不仅成分复杂，还潜在着重金属污染的风险。然而，这些废弃物中含有与土壤相似的成分，具备在矿区生态修复和土壤改良中的巨大潜力。国家层面积极倡导固废资源的综合利用，推动其在生态修复中的应用。专利“一种活化煤矸石基压缩生态土及其制备方法”(cn 118303294 a)通过通过添加堆肥、有机保水材料等，提升了煤矸石的肥力和耐候性，改良了土壤结构，使其成为更具生态适应性的压缩生态土。专利"一种煤矸石土壤改良结构"(cn219719044 u)专利提出了通过多层结构改良盐碱土壤的方案，在土壤层上依次铺设煤矸石粉层、微生物菌层、秸秆层和草木灰层等材料。这种结构有效降低了土壤改良成本，同时增强了植被扎根能力，提升了抗风沙能力。然而，现有的利用技术存在诸多不足，例如，简单混合的煤矸石与生土容易造成孔隙过大、结构性差、保水能力低，肥力不足，无法为植物提供理想的生长环境。此外，固废中的重金属污染问题也未能得到有效解决。

3、因此，现有技术还有待于进一步的改进和提升。

技术实现思路

1、鉴于上述现有技术的不足，本发明提供一种煤基固废生态修复材料及其制备方法，旨在解决现有煤基固废生态修复材料因其在制备过程中需要使用化学发泡方法、多孔材料易坍塌、保水性差及重金属污染导致难以产业化的问题。

2、本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

3、第一方面，一种煤基固废生态修复材料的制备方法，其中，包括：

4、将油酸钙、硅酸钠、聚乙烯吡咯烷酮、油胺、无水乙醇、水混合置于水热反应釜中，经恒温加热反应、离心、洗涤收集无机纳米晶种；

5、所述无机纳米晶种播种形成胶凝材料；将煤矸石粉末与胶凝材料、矿物活化剂和物理成孔泡沫体，养护后，经破碎、筛分制备多孔砂壤基质；

6、将制备得到的所述多孔砂壤基质与煤泥和复合菌剂混合均匀，经发酵、沉化制得煤基固废生态修复材料。

7、以下作为本发明的优选技术方案，但不作为对本发明提供的技术方案的限制，通过以下优选的技术方案，可以更好地达到和实现本发明的目的和有益效果。

8、作为优选的技术方案，所述的煤基固废生态修复材料的制备方法，其中，所述油酸钙和所述硅酸钠的钙硅比为0.6～1.6，水热反应的温度为120～180℃，时间为4～12h。

9、作为优选的技术方案，所述的煤基固废生态修复材料的制备方法，其中，按照重量份数计，所述多孔砂壤基质包含：煤矸石粉末50～80份，胶凝材料10～40份，矿物活化剂5～10份，物理成孔泡沫体1～8份，水灰比为0.5～0.7。

10、作为优选的技术方案，所述的煤基固废生态修复材料的制备方法，其中，按照重量份数计，所述胶凝材料包含：无机纳米晶种2～5份、粉煤灰50～70份，磷酸钠5～10份，氧化钙10～25份，氢氧化钠5～20份。

11、作为优选的技术方案，所述的煤基固废生态修复材料的制备方法，其中，物理成孔泡沫体包含发泡剂和稳泡剂，其中，所述稳泡剂的添加质量比为20～50％；所述发泡剂选自十二烷基硫酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、乙氧基化烷基硫酸钠和十二烷基聚氧乙烯醚琥珀璜酸酯钠盐中的一种或多种。所述稳泡剂选自羟丙基甲基纤维素、聚乙烯醇。

12、作为优选的技术方案，所述的煤基固废生态修复材料的制备方法，其中，矿物活化剂包含：矿渣、脱硫石膏、电石渣。按照重量份数计，各组分添加比值为：(2～4)：(1～2)：(1～2)。

13、作为优选的技术方案，所述的煤基固废生态修复材料的制备方法，其中，所述多孔砂壤基质与所述煤泥的质量比为1:(1～2)；所述复合菌剂添加量为0.05％～2％，发酵时间为14～21d，沉化时间为7～14d。

14、作为优选的技术方案，所述的煤基固废生态修复材料的制备方法，其中，所述复合菌剂由细菌和真菌组成，所述细菌选自胶质芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、贝莱斯芽孢杆菌和氧化亚铁硫杆菌中的一种或多种；所述真菌为丛枝菌根真菌和木霉菌。

15、第二方面，一种煤基固废生态修复材料，其中，所述煤基固废生态修复材料采用上述所述的制备方法制备得到。

16、第三方面，一种上述所述的煤基固废生态修复材料，作为人造土壤用于对环境进行生态修复。

17、有益效果：与现有技术相比，本发明以煤矸石为主要原料，将其与胶凝材料和矿物活化剂混合，利用物理发泡技术，经养护、破碎、粒径级配制备煤基固废多孔砂壤基质。本发明中，自行研发的无机纳米晶种通过成核播种可以加速水化反应的进程，加速胶凝材料的形成。随着胶凝材料的添加，有利增强砂壤基质骨架强度，降低了破碎过程中孔道的坍塌，提高了材料的保水透气性；而且胶凝材料对煤矸石中重金属进行固化，有效减少最具流动性的弱酸提取态重金属含量，转化为不易迁移、生物毒性弱的残渣态。与传统的铝粉化学发泡和强酸发泡相比，本发明采用的物理发泡技术在降低成本的同时提高了操作的安全性，便于标准化生产。接着，将砂壤基质与煤泥、复合菌剂混合，经发酵、沉化制得煤基固废生态修复材料。通过复合菌剂活化作用可以充分释放生态修复材料中的营养元素，提高肥力。一方面，通过分泌螯合物质、氧化还原反应等改变土壤中重金属的形态和有效性并配合砂壤基质协同降低重金属污染。另一方面，复合菌剂可促进土壤团聚体的形成，也有利于提高土壤的保水透气性，利于植物生长。同时，还不会对环境造成二次污染。

技术特征：

1.一种煤基固废生态修复材料的制备方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的煤基固废生态修复材料的制备方法，其特征在于，所述油酸钙和所述硅酸钠的钙硅比为0.6～1.6，水热反应的温度为120～180℃，时间为4～12h。

3.根据权利要求1所述的煤基固废生态修复材料的制备方法，其特征在于，按照重量份数计，所述多孔砂壤基质包含：煤矸石粉末50～80份，胶凝材料10～40份，矿物活化剂5～10份，物理成孔泡沫体1～8份，水灰比为0.5～0.7。

4.根据权利要求1所述的煤基固废生态修复材料的制备方法，其特征在于，按照重量份数计，所述胶凝材料包含：无机纳米晶种2～5份、粉煤灰50～70份，磷酸钠5～10份，氧化钙10～25份，氢氧化钠5～20份。

5.根据权利要求1所述的煤基固废生态修复材料的制备方法，其特征在于，物理成孔泡沫体包含发泡剂和稳泡剂，其中，所述稳泡剂的添加质量为20～50％；所述发泡剂选自十二烷基硫酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、乙氧基化烷基硫酸钠和十二烷基聚氧乙烯醚琥珀璜酸酯钠盐中的一种或多种。所述稳泡剂选自羟丙基甲基纤维素、聚乙烯醇。

6.根据权利要求1所述的煤基固废生态修复材料的制备方法，其特征在于，矿物活化剂包含：矿渣、脱硫石膏、电石渣，按照重量份数计，各组分添加比值为：(2～4)：(1～2)：(1～2)。

7.根据权利要求1所述的煤基固废生态修复材料的制备方法，其特征在于，所述多孔砂壤基质与所述煤泥的质量比为1:(1～2)；所述复合菌剂添加量为0.05％～2％，发酵时间为14～21d，沉化时间为7～14d。

8.根据权利要求1所述的煤基固废生态修复材料的制备方法，其特征在于，所述复合菌剂由细菌和真菌组成，所述细菌选自胶质芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、贝莱斯芽孢杆菌和氧化亚铁硫杆菌中的一种或多种；所述真菌为丛枝菌根真菌和木霉菌。

9.一种煤基固废生态修复材料，其特征在于，所述煤基固废生态修复材料采用权利要求1-8任一所述的制备方法制备得到。

10.一种权利要求9所述的煤基固废生态修复材料，作为人造土壤用于对环境进行生态修复。

技术总结
本发明公开了一种煤基固废生态修复材料及其制备方法。制备方法包括：将煤矸石粉末与胶凝材料、矿物活化剂、物理成孔泡沫体混合，养护制备多孔砂壤基质；将制备得到的所述多孔砂壤基质与煤泥和复合菌剂混合均匀，经发酵、沉化制得煤基固废生态修复材料。本发明中胶凝材料的添加，有利增强砂壤基质骨架强度，降低了破碎过程中孔道的坍塌，提高了材料的保水透气性。与传统的铝粉化学发泡和强酸发泡相比，本发明采用的物理发泡技术在降低成本的同时提高了操作的安全性，便于标准化生产。细菌‑真菌复合菌剂活化作用可以充分释放生态修复材料中的营养元素。该生态修复材料可应用于矿山土壤修复、土地复垦等环境修复领域。

技术研发人员：马建超,王欣,孟泽霖,王朋飞,葛姣霞,侯凯,王萌,王雪,夏小涵,段智霞,李京玲
受保护的技术使用者：太原理工大学
技术研发日：
技术公布日：2025/4/7