前沿應用|低場核磁共振技術在固廢中的研究

隨著我國工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，固廢排放越來越多，如何有效妥善處理，成為現(xiàn)今一個重要課題。

我國大部分城市的固廢處理主要通過垃圾填埋和焚燒處理實現(xiàn)，帶來的環(huán)境問題也越來越明顯。例如，垃圾填埋場占用大量的土地資源，垃圾焚燒則可能產生有毒有害的氣體和飛灰。因此，我國開始積極推動廢物減量、分類和資源化利用的政策，希望通過提高廢棄物的回收利用率，降低廢棄物的排放量[1]。

低場核磁共振技術，作為一種在能源巖土領域廣泛使用的檢測分析工具，尤其在結構表征、水分含量、水分分布及動態(tài)遷移、在線損傷、裂隙發(fā)育方向，有著成熟應用。  

固廢處理與循環(huán)經濟的開發(fā)利用，對新材料提出了更高的要求，在諸如：尾礦摻和制備水泥、廢棄物固化、煤矸石破碎處理、煤矸石土壤化利用、污泥固化等應用中。

低場核磁技術可以對宏觀樣品進行快速無損測試，進行微觀結構表征，從而對固廢處理提供有力的分析支撐[2]。

一、水泥加入淤泥后固化過程水分轉化機制研究

使用低場核磁技術對樣品進行固化檢測分析[3]，有以下結論：

1、水泥加入淤泥后，7d內大量孔隙水迅速轉化為化合水，可形成孔隙結構骨架；7d后，水化反應減緩，已初步成型的固化體三維網絡骨架不再發(fā)生顯著變化，孔隙結構只發(fā)生輕微調整。

2、分析水泥固化淤泥的水分轉化機制，水泥摻量越小，水化反應程度越高。

3、基于文中水化模型，只要利用NMR技術測得參數(shù)Mhw，即可求出滲透、強度和變形特性參數(shù)，為工程實踐提供理論指導。

二、快速篩選高氫含量的煤矸石制造高強度建筑材料

煤矸石含有一定的氫元素，可以提高制作建筑材料的力學強度，而氫含量的多少影響了建筑材料的具體力學性能。

煤矸石原石 

煤矸石制磚

對不同煤矸石樣品，使用紐邁低場核磁共振設備進行氫含量的測試，將不同樣品的氫信號質量歸一化后帶入標線計算，得到不同煤矸石的氫含量測試結果，其測試結果如下：

根據(jù)測試結果可以快速挑選富含氫含量的煤矸石用于制造高強度的建筑材料。

三、煤樣三軸應力應變與空間分布可視化研究

該案例將機械與核磁相結合研究煤樣的三軸應力應變，通過紐邁提供的核磁偽三軸設備，可以進行原位在線煤樣壓縮過程中的力學觀測與核磁觀測[4]。

三個煤樣的應力應變特性與核磁成像

靜水壓下的煤樣T2譜與孔隙劃分

借助核磁與力學測試的綜合測試，有以下結論：

圖一三個樣品峰值強度分別為49.5、47.2和45MPa，最大應變分別為3.59%、3.7%和3.47%。核磁成像表征了樣品在加載過程中含水量的空間分布，暖色程度越高水含量越高。

圖二為靜水壓力煤樣T2譜。借助核磁弛豫技術對空隙進行分類：左邊的弛豫值（T2<2.5ms）對應于微孔和過渡孔隙，中間的弛豫值(2.5<T2<100ms)對應中孔，右邊的弛豫值(T2>100ms)對應大孔孔隙和微裂縫。

通過機械、核磁測試，得到煤樣中PFS含量和空間分布的演變，建立孔隙可壓縮性模型，準確描述SPF對應力的敏感性。

四、三軸壓縮損傷測試

巖土樣品通過紐邁提供的偽三軸低場核磁設備進行應力損傷測試分析，以下提供了施加軸壓的壓力圖，以及孔隙度的變化曲線[5]。

核磁成像對比圖

隨著軸壓的增大，裂紋數(shù)量不斷增多，損傷不斷加劇。

軸壓在低于三軸抗壓強度90%時，大理巖損傷的加劇主要是內部較小孔隙數(shù)量的不斷增多引起。

軸壓大于三軸抗壓強度90%時，大理巖損傷急劇增加直至破壞是由內部裂隙數(shù)量和裂隙開度均急劇增大引起。

參考資料

[1] 凌江, 孫京楠, 劉剛. 增強固廢處理能力提升資源化利用水平—再生資源行業(yè)環(huán)境政策分析[J].環(huán)境保護, 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].中國科學:技術科學英文版, 2023.

[3] 王士權, 魏明俐, 何星星. 基于核磁共振技術的淤泥固化水分轉化機制研究[J]. 巖土力學, 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. 基于核磁共振技術的大理巖三軸壓縮損傷規(guī)律研究[J]. 巖土力學, 2014, 35(11):3117-3122.