前沿应用|低场核磁共振技术在固废中的研究
低场核磁共振技术在固废中的研究
随着我国工业化、城镇化的快速发展，固废排放越来越多，如何有效妥善处理，成为现今一个重要课题。
我国大部分城市的固废处理主要通过垃圾填埋和焚烧处理实现，带来的环境问题也越来越明显。例如，垃圾填埋场占用大量的土地资源，垃圾焚烧则可能产生有毒有害的气体和飞灰。因此，我国开始积极推动废物减量、分类和资源化利用的政策，希望通过提高废弃物的回收利用率，降低废弃物的排放量[1]。
低场核磁共振技术，作为一种在能源岩土领域广泛使用的检测分析工具，尤其在结构表征、水分含量、水分分布及动态迁移、在线损伤、裂隙发育方向，有着成熟应用。
固废处理与循环经济的开发利用，对新材料提出了更高的要求，在诸如：尾矿掺和制备水泥、废弃物固化、煤矸石破碎处理、煤矸石土壤化利用、污泥固化等应用中，低场核磁技术可以对宏观样品进行快速无损测试，进行微观结构表征，从而对固废处理提供有力的分析支撑[2]。
01
水泥加入淤泥后固化过程
水分转化机制研究
02
快速筛选高氢含量的煤矸石
制造高强度建筑材料
03
煤样三轴应力应变与
空间分布可视化研究
04
三轴压缩损伤测试
一、水泥加入淤泥后固化过程水分转化机制研究
使用低场核磁技术对样品进行固化检测分析[3]，有以下结论：
水泥加入淤泥后，7d内大量孔隙水迅速转化为化合水，可形成孔隙结构骨架；7d后，水化反应减缓，已初步成型的固化体三维网络骨架不再发生显著变化，孔隙结构只发生轻微调整。
分析水泥固化淤泥的水分转化机制，水泥掺量越小，水化反应程度越高。
基于文中水化模型，只要利用NMR技术测得参数Mhw，即可求出渗透、强度和变形特性参数，为工程实践提供理论指导。
二、快速筛选高氢含量的煤矸石制造高强度建筑材料
煤矸石含有一定的氢元素，可以提高制作建筑材料的力学强度，而氢含量的多少影响了建筑材料的具体力学性能。
煤矸石原石
煤矸石制砖
对不同煤矸石样品，使用纽迈低场核磁共振设备进行氢含量的测试，将不同样品的氢信号质量归一化后带入标线计算，得到不同煤矸石的氢含量测试结果，其测试结果如下：
根据测试结果可以快速挑选富含氢含量的煤矸石用于制造高强度的建筑材料。
三、煤样三轴应力应变与空间分布可视化研究
该案例将机械与核磁相结合研究煤样的三轴应力应变，通过纽迈提供的核磁伪三轴设备，可以进行原位在线煤样压缩过程中的力学观测与核磁观测[4]。
三个煤样的应力应变特性与核磁成像
静水压下的煤样T2谱与孔隙划分
借助核磁与力学测试的综合测试，有以下结论：
图一三个样品峰值强度分别为49.5、47.2和45MPa，最大应变分别为3.59%、3.7%和3.47%。核磁成像表征了样品在加载过程中含水量的空间分布，暖色程度越高水含量越高。
图二为静水压力煤样T2谱。借助核磁弛豫技术对空隙进行分类：左边的弛豫值（T2<2.5ms）对应于微孔和过渡孔隙，中间的弛豫值(2.5<T2<100ms)对应中孔，右边的弛豫值(T2>100ms)对应大孔孔隙和微裂缝。
通过机械、核磁测试，得到煤样中PFS含量和空间分布的演变，建立孔隙可压缩性模型，准确描述SPF对应力的敏感性。
四、三轴压缩损伤测试
岩土样品通过纽迈提供的伪三轴低场核磁设备进行应力损伤测试分析，以下提供了施加轴压的压力图，以及孔隙度的变化曲线[5]。
核磁成像对比图
随着轴压的增大，裂纹数量不断增多，损伤不断加剧。
轴压在低于三轴抗压强度90%时，大理岩损伤的加剧主要是内部较小孔隙数量的不断增多引起。
轴压大于三轴抗压强度90%时，大理岩损伤急剧增加直至破坏是由内部裂隙数量和裂隙开度均急剧增大引起。
参考资料
[1] 凌江, 孙京楠, 刘刚. 增强固废处理能力提升资源化利用水平—再生资源行业环境政策分析[J].环境保护, 2017(20):10-15.
[2] Haijun H E, Xi M, Jian T,et al. Event-triggered-based self-organizing fuzzy neural network control for the municipal solid waste incineration process[J].中国科学:技术科学英文版, 2023.
[3] 王士权, 魏明俐, 何星星. 基于核磁共振技术的淤泥固化水分转化机制研究[J]. 岩土力学, 2019(5):1778-1786.
[4] Hongwei Zhou, Zelin Liu, et al. In-situ observation and modeling approach to evolution of pore-fracture structure in coal[J]. International Journal of Mining Science and Technology, 2023.
[5] 周科平, 胡振襄, 高峰. 基于核磁共振技术的大理岩三轴压缩损伤规律研究[J]. 岩土力学, 2014, 35(11):3117-3122.
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