DOI: https://doi.org/10.1007/s40789-025-00775-4
تاريخ النشر: 2025-04-19
المؤلف: Zhiguo Zhang وآخرون
الموضوع الرئيسي: الفحم ومنتجاته الثانوية
نظرة عامة
تقدم هذه القسم نظرة شاملة على النفايات الصلبة المعتمدة على الفحم (CBSWs)، مع تسليط الضوء على آثارها البيئية وإمكاناتها في استغلال الموارد. تشكل CBSWs، التي تشمل الرماد المتطاير، وخام الفحم، وخبث الغازification الفحم، تحديات كبيرة في الإدارة بسبب كميات إنتاجها الكبيرة وخيارات التخلص المحدودة. يؤكد البحث على الفوائد الاجتماعية لاستخدام CBSW، مثل الحفاظ على الموارد وتقليل التلوث، بينما يلخص التطبيقات الحالية في المواد الكيميائية، والمعادن، والزراعة. يتم تقديم تقييم مقارن لطرق الاسترداد المختلفة، مع الإشارة إلى مزاياها وعيوبها، والتأكيد على الحاجة إلى مزيج من استراتيجيات المعالجة على نطاق واسع والاستخدام عالي القيمة.
في سياق مشهد الطاقة في الصين، يدعو البحث إلى “ثورة الطاقة في الصين” العاجلة المتوافقة مع استراتيجية “الكربون المزدوج”، بهدف تعزيز جهود إعادة تدوير CBSW وتقنيات استغلال موارد النفايات الصلبة. يحدد معدلات الاستخدام المنخفضة لـ CBSWs في التطبيقات عالية القيمة ويشدد على ضرورة تكثيف البحث والتطوير للتقنيات الفعالة. يقترح المؤلفون إنشاء قاعدة بيانات شاملة ومنصة إدارة بيانات كبيرة لتحسين استخدام CBSW، وتقليل تكاليف النقل، وتعزيز التنمية الاقتصادية الإقليمية. علاوة على ذلك، يُوصى بإنشاء معايير لدورة معالجة CBSW بأكملها لتعزيز جهود إعادة التدوير وتعزيز تطوير المواد عالية القيمة المستمدة من CBSWs.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على الدور المهم للفحم كأهم مصدر للطاقة الأحفورية على مستوى العالم، حيث شهد عام 2023 إنتاج 179.24 إكسا جول (EJ) واستهلاك 164.03 EJ. تبرز الصين كأكبر منتج ومستهلك، حيث تساهم بـ 93.10 EJ في الإنتاج وتشهد زيادة في الاستهلاك قدرها 4.11 EJ مقارنة بالعام السابق. تشير التوقعات إلى أنه بحلول عام 2024، ستشكل الصين والهند ثلثي استهلاك الفحم العالمي، مما يعكس اتجاهًا أوسع لزيادة الطلب على الطاقة مع تعافي الاقتصاد العالمي.
تناقش الورقة أيضًا التحديات البيئية التي تطرحها النفايات الصلبة المعتمدة على الفحم (CBSWs)، مثل خام الفحم، والرماد المتطاير، وخبث الغازification الفحم، التي تتولد طوال دورة حياة الفحم. إذا لم تتم إدارتها بشكل صحيح، يمكن أن تؤدي هذه النفايات إلى مخاطر بيئية وصحية خطيرة، بما في ذلك هجرة المعادن الثقيلة إلى التربة والمياه، وتلوث المياه الجوفية، وتلوث الهواء الناتج عن الاحتراق الذاتي. يؤكد التقرير الأخير لبرنامج الأمم المتحدة للبيئة على ضرورة الانتقال نحو اقتصاد دائري لتخفيف توليد النفايات، مشددًا على أهمية تطوير تقنيات مبتكرة لتحويل واستخدام CBSWs بطريقة مستدامة.
طرق
تناقش هذه القسم تطبيق النفايات الصلبة المعتمدة على الفحم (CBSWs) في مواد البناء والمواد الوظيفية المختلفة، مع تسليط الضوء على إمكاناتها في البناء المستدام وعلوم المواد. يتم استخدام CBSWs، وخاصة بقايا الغازification الفحم (CG)، في إنتاج مواد البناء مثل الأسمنت، وركام الخرسانة، وأنواع مختلفة من الطوب، بما في ذلك الطوب المحروق والطوب الخالي من الاحتراق. لا يقتصر استخدام CBSWs على استبدال الركام الطبيعي غير المتجدد فحسب، بل يعزز أيضًا الصداقة البيئية لمواد البناء. من الجدير بالذكر أن دمج الرماد المتطاير (FA) في مواد الجدران يتطلب مراقبة دقيقة لمستويات الإشعاع لضمان السلامة (Chen, 2023).
في مجال السيراميك، توفر CBSWs مواد خام أساسية، حيث تشير الدراسات إلى أن ظروف التخليق المثلى يمكن أن تنتج مواد ذات قوة ميكانيكية كبيرة (Wang et al., 2023a). تظهر مواد الموليت المستمدة من CBSWs خصائص حرارية وميكانيكية ممتازة، مما يجعلها مناسبة لتطبيقات متنوعة في صناعات مثل المعادن والتحفيز (Gao et al., 2021). علاوة على ذلك، يتم استكشاف CBSWs للمواد الوظيفية، بما في ذلك الممتزات لمعالجة مياه الصرف، حيث تحقق معدلات إزالة عالية للملوثات مثل صبغة الكونغو الحمراء (Zong and Xie, 2023). كما تم الإشارة إلى إمكانات CBSWs في المواد الممتصة للموجات الكهرومغناطيسية، حيث تظهر الدراسات فعاليتها في التخفيف من التلوث الكهرومغناطيسي من خلال تصاميم المواد المبتكرة (Li et al., 2023d). بشكل عام، تؤكد النتائج على تعددية واستدامة CBSWs في تعزيز علوم المواد وممارسات البناء.
نقاش
يسلط النقاش حول النفايات الصلبة المعتمدة على الفحم (CBSW) الضوء على التحديات والفرص الكبيرة المرتبطة بإدارة واستخدام خام الفحم (CG)، والرماد المتطاير (FA)، وخبث الغازification الفحم (CGS) في الصين. يشكل CG، الذي يمثل 15%-20% من إجمالي إنتاج الفحم، تحديات في معدلات الاستخدام المنخفضة (أقل من 73%) بسبب قيمته الحرارية المنخفضة ومحتوى الكربون، مما يؤدي إلى مشاكل تخزين واسعة. على الرغم من التقدم تحت استراتيجية “الكربون المزدوج”، تعيق الفجوات الإقليمية والقيود التكنولوجية التطبيقات عالية القيمة. وبالمثل، فإن FA، الناتج عن احتراق الفحم، لديه زيادة متوقعة في الإنتاج العالمي ولكنه يظهر معدلات استخدام غير متساوية عبر الدول، حيث تستخدمه الصين بشكل أساسي في مواد البناء. تظل الإمكانات للتطبيقات ذات القيمة الأعلى غير مستغلة إلى حد كبير بسبب التقنيات القديمة.
يقدم CGS، الناتج أثناء الغازification الفحم، تحديًا فريدًا بمعدل استخدام لا يتجاوز 8.12%، ويرجع ذلك أساسًا إلى محتواه العالي من الكربون والشوائب. بينما يمتلك CGS إمكانات للاستخدام في البناء وإعادة تأهيل البيئة، تساهم طرق التخلص الحالية في التلوث. يؤكد النقاش على الحاجة إلى تحسين الأنظمة التكنولوجية والتطبيقات المبتكرة عبر CBSWs، بما في ذلك استخدامها في إنتاج الأسمنت، وتخليق الجيوبوليمر، وكعامل حفاز. تشير الأبحاث إلى أنه على الرغم من وجود طرق واعدة لاستخدام CBSW، يجب معالجة الحواجز الكبيرة مثل انخفاض الربحية، والمخاوف البيئية، والحاجة إلى تقنيات معالجة متقدمة لتعزيز استرداد الموارد وتقليل الأثر البيئي.
DOI: https://doi.org/10.1007/s40789-025-00775-4
Publication Date: 2025-04-19
Author(s): Zhiguo Zhang et al.
Primary Topic: Coal and Its By-products
Overview
The section provides a comprehensive overview of coal-based solid wastes (CBSWs), highlighting their environmental implications and potential for resource utilization. CBSWs, which include fly ash, coal gangue, and coal gasification slag, pose significant management challenges due to their large production volumes and limited disposal options. The paper emphasizes the societal benefits of CBSW utilization, such as resource conservation and pollution reduction, while summarizing current applications in chemical materials, metallurgy, and agriculture. A comparative evaluation of various recovery methods is presented, noting their advantages and disadvantages, and underscoring the need for a combination of large-scale treatment and high-value utilization strategies.
In the context of China’s energy landscape, the paper advocates for an urgent “China Energy Revolution” aligned with the “double carbon” strategy, aiming to enhance CBSW recycling efforts and solid waste resource utilization technologies. It identifies the low utilization rates of CBSWs in high-value applications and stresses the necessity for intensified research and development of efficient technologies. The authors propose establishing a comprehensive database and big data management platform to optimize CBSW utilization, reduce transportation costs, and foster regional economic development. Furthermore, the establishment of standards for the entire CBSW processing cycle is recommended to enhance recycling efforts and promote the development of high-value materials derived from CBSWs.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the significant role of coal as the primary fossil fuel globally, with 2023 witnessing a production of 179.24 Exajoules (EJ) and a consumption of 164.03 EJ. China stands out as the largest producer and consumer, contributing 93.10 EJ to production and experiencing a consumption increase of 4.11 EJ from the previous year. Projections indicate that by 2024, China and India will account for two-thirds of global coal consumption, reflecting a broader trend of rising energy demand as the global economy recovers.
The paper also addresses the environmental challenges posed by coal-based solid wastes (CBSWs), such as coal gangue, fly ash, and coal gasification slag, which are generated throughout the coal lifecycle. If not properly managed, these wastes can lead to severe environmental and health risks, including the migration of heavy metals into soil and water, contamination of groundwater, and air pollution from spontaneous combustion. The United Nations Environment Programme’s recent report emphasizes the necessity of transitioning towards a circular economy to mitigate waste generation, underscoring the importance of developing innovative technologies for the conversion and utilization of CBSWs in a sustainable manner.
Methods
The section discusses the application of coal-based solid wastes (CBSWs) in various building and functional materials, highlighting their potential in sustainable construction and material science. CBSWs, particularly coal gasification residues (CG), are utilized in the production of building materials such as cement, concrete aggregates, and various types of bricks, including sintered and burn-free bricks. The use of CBSWs not only replaces non-renewable natural aggregates but also enhances the eco-friendliness of construction materials. Notably, the incorporation of fly ash (FA) in wall materials requires careful monitoring of radioactivity levels to ensure safety (Chen, 2023).
In the realm of ceramics, CBSWs provide essential raw materials, with studies indicating that optimal synthesis conditions can yield materials with significant mechanical strengths (Wang et al., 2023a). Mullite materials derived from CBSWs exhibit excellent thermal and mechanical properties, making them suitable for diverse applications in industries such as metallurgy and catalysis (Gao et al., 2021). Furthermore, CBSWs are explored for functional materials, including adsorbents for wastewater treatment, achieving high removal rates for contaminants like Congo red dye (Zong and Xie, 2023). The potential of CBSWs in electromagnetic wave-absorbing materials is also noted, with studies demonstrating their effectiveness in mitigating electromagnetic pollution through innovative material designs (Li et al., 2023d). Overall, the findings underscore the versatility and sustainability of CBSWs in advancing material science and construction practices.
Discussion
The discussion on coal-based solid waste (CBSW) highlights the significant challenges and opportunities associated with the management and utilization of coal gangue (CG), fly ash (FA), and coal gasification slag (CGS) in China. CG, which constitutes 15%-20% of total coal production, faces low utilization rates (under 73%) due to its low calorific value and carbon content, leading to extensive storage issues. Despite advancements under the “dual carbon” strategy, regional disparities and technological limitations hinder high-value applications. Similarly, FA, produced from coal combustion, has a projected global increase in production but exhibits uneven utilization rates across countries, with China primarily using it in construction materials. The potential for higher-value applications remains largely untapped due to outdated technologies.
CGS, produced during coal gasification, presents a unique challenge with a mere 8.12% utilization rate, primarily due to its high carbon content and impurities. While CGS has potential for use in construction and environmental remediation, its current disposal methods contribute to pollution. The discussion emphasizes the need for improved technological systems and innovative applications across CBSWs, including their use in cement production, geopolymer synthesis, and as catalysts. The research indicates that while there are promising avenues for CBSW utilization, significant barriers such as low profitability, environmental concerns, and the need for advanced processing technologies must be addressed to enhance their resource recovery and minimize environmental impact.