**Tebogo Mashifana**
**化学工程系，南非理工大学科学与工程技术学院**
**地址：Christiaan de Wet & Pioneer Avenue, Florida Campus, Johannesburg 1710, South Africa**
**摘要**
南非的煤炭工业对该国的经济和能源供应至关重要；然而，煤炭开采和加工过程中产生的细煤粉引发了严重的环境和公共卫生问题。本研究中使用了来自仙人掌的凝胶（一种适合在干旱环境中使用的生物质粘合剂），因为其具有强大的粘附性能，能够形成耐用的煤饼，并通过减少燃烧时的排放来有助于产生更清洁的燃料。将细煤粉与仙人掌凝胶混合以提高其可压缩性和耐用性。研究了不同的固液混合比例，并将混合物压制成煤饼。固化后对样品进行了无侧限抗压强度、元素分析及化学特性测试。结果表明，起初这些煤饼未能达到95%的防水指数要求，因为它们会分解成类似液体的物质。为了解决这个问题，煤饼表面涂覆了石蜡。在40:60的固液比例下，煤饼的热值最高（26.57 MJ/kg），而在20:80的比例下，抗压强度最高（0.375 MPa），符合燃料煤饼的要求。研究表明，仙人掌凝胶是一种非常有效的天然粘合剂，显著提高了煤饼的结构完整性和能量含量。本研究提出了一种可持续的方法，通过使用仙人掌凝胶作为粘合剂来利用细煤粉，有效地减轻了环境和处理方面的挑战，同时生产出机械强度高且更清洁的燃料。
**1. 引言**
南非的煤炭开采历史超过120年。该国目前每年生产约2.24亿吨煤炭，其中约25%用于出口[16]。这些煤炭主要支持该国的工业部门，53%用于能源生产。燃煤电厂发电量占全国电力总量的约77%，显示了该国对煤炭作为主要能源的依赖[65]。煤炭目前是发电的主要能源，同时也用于生产大量的液体燃料。一个多世纪以来，煤炭一直是南非经济的关键支柱[21]。钻切煤粉和流动煤粉主要是通过机械破碎产生的[14]。由于对这些大量煤炭储备进行热化学处理，每年有大量的细煤粉被废弃[61],[62]。细煤粉是煤炭开采和加工过程中形成的小颗粒，通常尺寸小于100微米，并含有大量水分[57]。如果管理不当，细煤粉会通过风传播导致空气污染、地下水污染和自燃等环境问题。吸入细煤粉可能导致肺部疾病和其他相关健康问题[44]。南非开采的煤炭总量中大约有30%到40%作为废煤处理，通常储存在废物储存设施中，无法回收经济价值。这些大量材料增加了运营成本，并对环境造成长期负面影响[6]。
**2. 煤饼制造技术**
高效的煤炭利用技术之一是煤饼制造[23]。这可以在高温下（热压）、室温下、使用或不使用粘合剂的情况下进行，或者仅依靠压力。煤饼制造技术将松散的颗粒集合成坚硬的块状物，其中固体相贯穿整个煤饼[37]。一些先前的研究专注于使用高挥发分含量的原煤，在高温炭化后製造出具有高机械强度的煤饼[57],[70]。虽然这些煤饼可以用作高炉中的焦炭替代品，但可能会导致相当大的重量损失（30%-60%）和较高的炭化温度，从而增加了成本[71]。煤饼技术已被广泛用于生物质和煤炭的颗粒致密化[10],[60],[63]。由于农业剩余物的丰富，生物质煤饼制造引起了越来越多的兴趣，并评估了多种天然粘合剂（如淀粉、树胶和植物黏液）对提高煤饼质量的作用[47],[68]。IGBO[28]以及Lubwama和Yiga[36]证明了植物衍生粘合剂能够改善稻壳煤饼的机械性能和燃烧特性。同样，Ngene等人[45]、Ramdas等人[53]和Oyedeji等人[49]也研究了多糖粘合剂在增强木质纤维素煤饼的耐用性和防水性方面的有效性。
**3. 仙人掌凝胶作为粘合剂的效果**
在寻找环保粘合剂的过程中，多项研究报道了各种植物衍生材料的潜力。从不同种类的仙人掌中提取的黏液因其功能和材料特性而受到广泛研究。Opuntia cladode的黏液含有水分（5.6%）、蛋白质（7.3%）、灰分（37.3%）以及钙和钾等矿物质，干基产率为约19.4%[55]。Opuntia ficus-indica的果皮黏液主要由碳水化合物组成（包括半乳糖、阿拉伯糖和木糖），具有剪切变稀粘度和成膜能力[22]。Opuntia ficus-indica的黏液含有高分子量多糖，显示出强大的持水能力和受pH值及钙、镁等离子影响的粘度[64]。紫色仙人掌果的黏液具有亲水性多糖，能够保留水分并影响水分活性和材料稳定性[20]。类似地，仙人掌果的黏液表现出胶体行为、高吸水性、粘度调节以及乳化和包覆能力[43]。仙人掌黏液提取物显示出独特的流变特性、表面张力行为和热稳定性[38]。总体而言，这些研究强调了仙人掌黏液富含多糖的特性及其在环保材料（如煤饼）中作为天然粘合剂的潜力。本研究中，使用了仙人掌植物凝胶（仙人掌属）作为粘合剂。
尽管已经广泛研究了多种天然和生物质衍生粘合剂在生物质煤饼制造中的应用，但其在细煤粉煤饼制造中的应用仍相对较少。基于生物质的粘合剂（如木质纤维素残渣、淀粉和糖蜜）已被广泛用于提高煤饼的强度和燃烧性能，显著改善了热值和机械完整性[45],[67]。然而，针对细煤粉的研究表明，粘合剂的选择仍然是一个关键挑战，探索替代或生物质衍生粘合剂的研究仍然有限[61],[62]。细煤粉与生物质相比存在独特挑战，包括更高的灰分含量和不同的燃烧行为，这可能会影响粘合剂的性能[1]。因此，需要评估所研究的粘合剂是否能够有效改善细煤粉煤饼的机械完整性和能源特性。
**4. 主要研究目标**
本研究的主要目标是使用植物衍生粘合剂——仙人掌凝胶，来制造和致密化细煤粉煤饼。为此，研究了仙人掌凝胶作为绿色粘合剂的物理性质及其与细煤粉的特性。这种环保煤饼的生产显示出减少环境影响和提升煤炭工业可持续性的巨大潜力。研究评估了所生产煤饼的物理化学性质，揭示了它们的组成及其相对于传统煤炭产品的潜在优势。该研究同时解决了两个关键问题：(i) 细煤粉的利用率低和处理困难，尽管它们具有能源潜力，但常常被废弃，导致环境污染；(ii) 适合细煤粉煤饼制造的粘合剂应用有限。这项工作强调了推进可持续绿色技术的重要性，并对这种新型煤饼生产方法的材料特性进行了全面评估。
**5. 材料与方法**
**5.1. 材料**
本研究中使用的细煤粉来自南非Mpumalanga省的Witbank煤矿场。这些细煤粉是在煤炭加工过程中产生的废弃物。元素分析显示，其含水量为2.95%、灰分含量为6.1%、挥发分为27.2%、固定碳含量为91.56%，热值为26.17 MJ/kg。X射线荧光（XRF）测定的元素组成表明，主要氧化物为Fe₂O₃（26.04%）、SiO₂（24.66%）、Al₂O₃（16.83%）和CaO（6.69%）。较高的氧化铁含量表明存在大量含铁矿物相。
**5.2. 方法**
将细煤粉与仙人掌凝胶混合以增强其可压缩性和耐用性。粘合剂在保持煤饼形状和改善其燃烧性能方面发挥了重要作用。分析了不同的固液混合比例（70:30、60:40、50:50、40:60、30:70和80:20）。去掉仙人掌的外皮后，将其内部成分混合成类似凝胶的流体，然后与细煤粉混合并压实。使用50毫米×50毫米×50毫米的模具将混合物压制成煤饼。随后对煤饼进行干燥以去除多余水分并固化粘合剂，从而提高煤饼的强度和耐用性，便于运输和储存。之后，在室温下将样品固化7天，然后进行测试[1]。收集细煤粉和仙人掌并按不同比例混合。从混合物中制得煤饼后，在室温下干燥/固化7天。研究过程包括原材料收集、混合物制备、压制成煤饼、压实以及干燥和固化等步骤。
**5.3. 无侧限抗压强度（UCS）测试**
无侧限抗压强度（UCS）测试使用UCS测试机进行，加载速率为15 kN/min。每种实验条件下制作三个样品，经过固化后进行测试以确定其UCS值。
**5.4. 防水性测试**
防水测试包括将煤饼浸泡在水中30分钟并每10分钟施加轻微压力，以评估其防水性能[33]。根据煤饼的状态（保持完整、大部分完整、大部分损坏或完全降解）来确定防水性能。防水指数计算公式如下：
**(WRI = 100 - \%Mw\%)**，其中\(Mw\)是煤饼吸收的水的质量占煤饼总质量的百分比。该测试进行了多次，取三个样品的平均值以确保准确性。符合最低允许防水指数（WRI）95%的煤饼被擦干后进行抗压强度测试[61],[62]。
**5.5. 抗冲击性测试和易碎性测试**
使用Richards落锤测试法测定煤饼的抗冲击性指数（IRI）和易碎性（FR）。抗冲击性指数（IRI）反映了煤饼在处理、装载和运输过程中抵抗机械应力（如冲击或振动）的能力。易碎性表示煤饼在受到机械应力（如磨损或压缩）时破裂成小块的倾向。易碎性是个重要的性质，因为过度易碎会导致煤饼在处理和运输过程中损坏，产生细粉或灰尘。易碎性通常通过标准化测试程序（如洛杉矶磨耗测试或滚筒测试）后的重量损失百分比来衡量。抗冲击性指数和易碎性测试用于评估煤饼的物理强度和耐用性。记录了落锤次数（Ndrops）、破裂块数（Npieces）、初始质量（m0，g）以及最大破碎块的质量（mf，g）[61],[62]。
**5.6. 元素分析**
元素分析是一套标准化的实验室程序，用于确定固体燃料（如煤炭）的主要成分，特别是水分含量、挥发分、固定碳和灰分含量。这些参数对于评估燃料质量、燃烧性能和热转化过程的适用性至关重要。 proximate分析长期以来一直被用于煤的特性分析，其基本定义和方法在文献中已有充分阐述[39]、[51]。这些指标对于确定燃料的质量及其适用性至关重要。proximate分析将煤样分为以下几部分：低温下损失的水分、加热燃烧前释放的挥发分、去除水分和挥发分后剩余的可燃固定碳，以及有机物完全燃烧后留下的无机灰分[25]。为了确保结果的可重复性和符合标准化测试程序，proximate分析是在特定的温度和停留时间条件下进行的：2.6.1. 水分含量水分含量表示燃料中包含的水分量，通常以材料总重量的百分比表示[48]。称取一定量的煤饼样品，将其置于105-110°C的烤箱中干燥1小时。Wmoisture是加热后的煤的重量，Wcoal是加热前的煤的重量。使用以下公式计算水分含量：(4)%水分 = (Wmoisture / Wcoal(加热前)) × 1002.6.2. 灰分含量在测定水分含量的过程中，获得了一份干燥的煤饼样品。该样品在炉内进行受控加热，温度通常在900至950°C之间[48]。加热过程中产生的气体被收集并分析，这些气体被归类为挥发分。Wash是加热后的灰分量，Wcoal是加热前的煤的重量。(5)%灰分 = (Wash / Wcoal(加热前)) × 1002.6.3. 挥发分取一份干燥的煤饼样品进行水分含量测定。样品在900-950°C的受控环境下（炉内）加热。加热过程中释放的气体被收集，这些气体被视为挥发分。Wlost是加热后的灰分量，Wcoal是加热前的煤的重量。(6)%挥发分 = (Wlost / Wcoal(加热前)) × 1002.6.4. 固定碳固定碳代表在受控环境中加热时不会挥发或蒸发的固体燃料中的碳含量。它是去除挥发成分（包括水分、碳氢化合物和其他有机化合物）后剩余的固态碳[Onukak等人，48]。根据ASTM D3173标准[7]，固定碳含量是通过从100%中减去水分含量、灰分含量和挥发分的百分比来确定的：(7)%固定碳 = 100 − (%)水分 + (%)挥发分 + (%)灰分2.6.5. 发热值煤饼的发热值表示其燃烧时释放的能量强度。高质量的煤饼需要具有较高的发热值，以最大化其产生的能量[40]。使用Bomb量热计来测定煤饼的能量含量，依据ASTM D 3172-5标准进行测量。2.6.6. 发热值测试（Bomb量热计）将蒸馏水倒入量热计中，并连接一个工业氧气瓶。然后打开阀门，在1分钟内将量热计缓慢加压至2.5至3 MPa。将样品放入量热计中，随后充满氧气并密封。装有样品的量热计被放置在一个装有蒸馏水的容器支架中，并加盖。2.7. 特性分析2.7.1. 傅里叶变换红外光谱（FTIR）通过称取一定量的样品并与适量的KBr混合来制备样品。将混合物压制成透明圆盘（持续10分钟），然后用FTIR进行分析，光谱记录范围为4000-400 cm-1，分辨率 specifications 指定。IR吸收光谱由OMNIC软件获取。2.7.2. X射线衍射（XRD）使用Cu Kα射线（40 kV和40 mA）进行矿物学分析。扫描范围为4–100°，步长为0.017°，每步测量时间为50秒。2.7.3. 扫描电子显微镜（SEM）使用扫描电子显微镜（Joel JSM 5600）分析样品的形态结构。将研磨后的样品放置在铝制样品台上，并用溅射镀膜机涂上一层导电材料。2.7.4. X射线荧光（XRF）使用X射线荧光（XRF, ZSX PRIMUS）测定煤粉和制备好的煤饼的元素组成。分析时，每种样品取13克，与粘合剂充分混合后用模具压成颗粒。制备好的颗粒在50°C的烤箱中干燥1小时后再进行测量。XRF光谱仪配备了4 kW的Rh阳极端窗X射线管。根据目标元素调整测量参数：对于重金属，使用40 kV电压和60 mA电流；对于轻元素，则使用30 kV电压和100 mA电流。本研究未通过实验测定仙人掌凝胶的化学组成，相关内容基于现有文献报告在引言部分讨论。3. 结果与讨论3.1. 无限制抗压强度在室温下养护7天后的煤饼进行了无限制抗压强度（UCS）测试。使用不同的固液比例制备了煤饼，并对每个煤饼进行了无限制抗压强度测试。图1展示了固液比例变化对煤饼UCS的影响。图1清楚地显示了抗压强度UCS的显著趋势，范围从0.1672 MPa增加到0.385 MPa。随着固液比例的降低，UCS明显增加。这一结果表明粘合剂的添加对抗压强度有显著影响，其中20:80比例的煤饼抗压强度最高。结果还表明，较高的液体含量有助于颗粒重新排列、压实和结合，从而形成更坚固的煤饼。这一发现得到了仙人掌凝胶作为粘合剂的独特性质的支持。仙人掌凝胶因其胶状特性而成为有效的天然粘合剂，能增强煤饼的凝聚力[56]。这种粘合效果对于提高煤饼的结构强度至关重要，从而实现了抗压强度的提高。图表结果凸显了仙人掌凝胶作为粘合剂的重要性，证明其能够增强煤饼的抗压强度。Bency等人[11]的研究表明，增加液体粘合剂的比例可以确保固体颗粒（生物质、锯末或废纸）得到更均匀的覆盖，从而减少煤饼内的孔隙率，使基质更加致密，提高UCS。他们的研究表明，虽然固体基材是必需的，但粘合剂形成的机械“桥梁”是抵抗压碎的关键。根据Richard 1990年的研究结果，燃料煤饼必须具备至少0.375 MPa的抗压强度，这一规格考虑了煤饼在输送带运输和储存过程中可能遇到的压力[54]。数据分析显示，只有使用20:80比例制造的煤饼达到了所需的最低抗压强度。这一结果强调了使用这一确切混合比例的重要性，以确保煤饼的质量和耐用性。3.2. 防水测试进行了防水测试，以评估煤饼在接触水分或水时保持结构的能力。将煤饼浸入水中，模拟实际环境中水分接触的关键因素。测量每个煤饼的初始质量后，让煤饼浸泡30分钟。观察和分析表明，最初这些煤饼未能满足防水要求，因为它们全部溶解成了类似液体的溶液。建议最小防水性能WRI应高于95%（Henning, 2018）。图2展示了防水测试过程中的煤饼情况。图2(a) 未涂蜡的防水测试；图2(b) 涂有石蜡的防水测试。煤饼可能因多种原因无法通过防水测试，最常见的原因包括其组成、制造方法以及所用粘合剂的效果。煤饼在防水测试中失败的常见原因包括：如果粘合剂不能有效粘合颗粒，煤饼可能在水中分解；压实不充分的煤饼可能具有较高的孔隙率从而吸收水分；孔隙率过高的煤饼容易吸水导致破坏或软化；煤饼配方中材料与粘合剂之间的不相容性会导致凝聚力不足，从而在接触水分时分解（Henning, 2018）。干燥或固化不良的煤饼可能保留残余水分，在接触水时变得脆弱。天然粘合剂在接触水时可能会失去粘附性能，破坏煤饼的结构。这种行为也可以归因于煤饼内部粘合强度不足，导致孔隙率增加[1]。根据初始结果显示煤饼吸收了大量水分后分解，因此在其表面涂了石蜡（图2b），这改善了测试结果并保护了煤饼免受水分吸收[42]。3.3. 抗冲击指数和易碎性3.3.1. 抗冲击指数抗冲击指数通常用数值或指数表示，数值越高表示抗冲击性越好。通过标准化测试方法测定抗冲击指数，其中煤饼受到控制冲击，然后测量损伤或碎裂的程度。图3显示了固液比例变化对抗冲击指数的影响。图3表明，30:70和20:80比例的煤饼抗冲击指数均为50%。需要注意的是，最低可接受的抗冲击指数为50%，这两个比例均符合这一要求。相比之下，其他比例的抗冲击指数低于这一标准，其中70:30比例的抗冲击指数最低为12.5%，40:60比例为28.6%。50:50和60:40比例的抗冲击指数均为40%。结果表明，较高的液体含量（通常与粘合剂或水分有关）有助于提高煤饼颗粒的凝聚力。3.3.2. 易碎性这些测试结果有助于煤炭生产商和用户确定煤饼是否适用于各种用途，包括电厂燃烧、工业过程和居民供暖。通常偏好具有高抗冲击指数和低易碎性的煤饼，因为它们能在装卸和运输过程中不易损坏，确保燃烧时的性能稳定。然而，需要在这些特性与其他因素（如发热值、灰分含量和水分含量）之间取得平衡，具体取决于煤饼的应用要求和特定需求。允许的最低抗冲击指数和易碎性分别为50%和80%。图4显示了固液比例对煤饼易碎性的影响。结果表明，随着固液比例的降低，煤饼的易碎性趋于增加。具体来说，70:30比例的易碎性最低，为63%，其次是40:60比例为68%。50:50比例为77.1%，60:40比例为77.5%。只有30:70和20:80比例满足至少80%的易碎性要求，分别为81%和82%[44]。在50:50比例之前，易碎性近乎线性改善，之后改善幅度逐渐减小。较高的仙人掌凝胶含量有助于增强煤饼颗粒的结合力，降低易碎性。较低的固体含量有助于更好地压实颗粒，形成更坚固的煤饼。这一趋势与之前的研究结果一致，即适量的液体成分可以增强颗粒间的凝聚力，从而降低易碎性[45]、[47]、[69]。50:50比例之后的平台期表明，额外的液体可能对强度有轻微贡献，这可能是由于饱和效应所致。尽管固液比为20:80的煤球具有最高的结合强度（UCS），但它们的脆性也最高，这是因为这种比例会利用材料中的薄弱界面和微观结构缺陷。需要强调的是，抗压强度和脆性衡量的是不同的机械性能。抗压强度反映了煤球能够承受的最大轴向载荷，主要受颗粒密度和沿压缩方向的粘合剂粘附力的影响；而脆性则衡量材料抵抗磨损、冲击或反复搬运的能力，这也依赖于这些薄弱界面和缺陷。在压实度较高的煤球中，核心部分的强粘合可以产生较高的静态强度，但脆弱的粘合剂界面、微裂纹或不均匀的粘合剂分布可能导致边缘和颗粒间接触在动态应力下容易破裂。文献中已经报道了这种静态和动态失效模式的解耦现象，即致密化的生物质煤球通常表现出较高的抗压强度，但由于结构不均匀性和粘合剂的脆性，其脆性介于中等偏高等[31] [47]。因此，高抗压强度并不一定能保证低脆性，这突显了优化粘合剂类型、浓度和分布以及压实条件对于提高煤球整体耐久性的必要性。
3.4. 原 proximate 分析
水分含量、灰分含量、挥发性物质和固定碳含量之间的关系对于理解各种材料（尤其是煤、生物质和煤球）的组成和燃烧特性至关重要。这些成分共同构成了燃料的 proximate 分析，提供了关于其燃烧适性和能量生成能力的宝贵信息。
3.4.1. 水分含量 (MC)
水分含量表示煤球中所含水量的百分比。图5展示了煤粉与仙人掌提取物之间的固液比（S/L）对水分含量的影响。
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图5. 固液比对煤球水分含量的影响。
原始煤粉的水分含量约为2.95%，表明其水分含量相对较低。在混合煤球中，70:30和30:70组成的水分含量分别约为0.30%和0.85%，说明在生产过程中水分被显著减少。50:50组成的水分含量约为2.42%。20:80组成的水分含量约为1.26%，属于中等水平。数据表明，改变不同成分的组成或混合比例会显著影响煤球的水分含量，这对燃烧效率是一个关键因素。水分含量对于评估煤球的质量非常重要，因为过高的水分会导致处理困难并降低燃烧效率[7]。某些样本（如70:30和30:70）的低水分含量表明生产过程中干燥过程有效。在需要高效燃烧和最小化排放的应用中，低水分含量是理想的。这种现象可以归因于仙人掌黏液的亲水性，它具有很强的保水能力，能在煤球结构中保留大量水分。在较低的固液比下，过多的凝胶会导致结合水和自由水的存在，从而增加残留水分。当固体比例增加时，由于凝胶可用性降低和压实效果改善，水分含量会减少，从而限制了水分的保持。类似的研究也发现，在天然粘合剂中，增加粘合剂含量会提高 cohesion，但也会因吸湿效应而增加水分含量[18] [31]。研究表明，仙人掌提取的黏液因其多糖结构而能有效保水[34]。这些发现强调了优化仙人掌凝胶含量以平衡煤球强度和水分含量、实现高效燃料性能的必要性。
3.4.2. 灰分含量 (AC)
灰分含量指的是燃烧后留下的无机残留物，以样品总重量的百分比表示。高灰分含量会降低燃料的热值，并可能导致燃烧设备中形成更多熔渣和腐蚀。图6展示了固液比对煤球灰分含量的影响。
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图6. 固液比对煤球灰分含量的影响。
图6的结果清楚地显示了灰分含量与固液比 (S/L) 的依赖关系。原始煤粉的灰分含量约为6.10%，具体数值取决于煤的类型和来源（W de Kock等人，1973年）。同样，煤球组成的变化也会导致灰分含量在6-9%之间变化，这与本研究的观察结果一致[46]。在较低的固液比（20:80）下，灰分含量显著降低（3.21%），这可能是由于过多的液体和粘合剂起到了稀释作用，减少了无机灰分生成组分的比例。这一现象与有机粘合剂和水分主要是可燃物质、对灰分生成贡献较小的结论相符[2]。在混合煤球中，40:60组成的灰分含量最高（7.20%），表明该组合中含有更多的无机矿物，这些矿物在燃烧后形成灰分。20:80组成的灰分含量最低（3.21%），说明其中含有较少的无机灰分生成矿物。数据清楚地表明，改变煤粉和仙人掌凝胶的组成或混合比例会影响煤球的灰分含量。以不同比例混合煤粉会影响整体灰分含量，这对燃烧效率和排放控制非常重要。这种趋势与研究结果一致，即增加煤或固体原料的比例会增加SiO₂、Al₂O₃和Fe₂O₃等矿物氧化物的浓度，这些都是灰分的主要来源。结果强调了在煤球生产中控制组成的重要性，以获得所需的灰分含量。管理灰分生成矿物的比例对于维持特定的灰分水平至关重要。灰分含量会影响燃烧行为，较高的灰分含量可能导致燃烧过程中灰分沉积增多、残留物增多和熔渣形成增加，从而影响燃烧设备的性能和维护[7]。在重视排放控制的应用中，通常偏好较低的灰分含量，因为它可以减少无机污染物和颗粒物向大气的排放[50]。对于不需要特别处理灰分但希望获得更高能量输出的应用（如40:60组成的煤球），较高的灰分含量是合适的[13]。而在强调排放控制和减少灰分生成的应用中（如20:80组成的煤球），较低的灰分含量更受欢迎[29]。较低的灰分含量还能实现更清洁的燃烧和更高的能量产出。这些发现证实了固液比 (S/L) 是影响灰分含量的关键参数。
3.4.3. 挥发性物质 (VM)
挥发性物质是指燃料在加热过程中蒸发或转化为气体的部分。高挥发性物质表明燃料具有更易点燃和燃烧的特性，因为其中含有较多可燃气体[3]。它对燃料的热值和燃烧效率有贡献。图7展示了固液比对挥发性物质 (VM) 的影响。
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图7. 固液比对煤球挥发性物质含量的影响。
原始煤粉的挥发性物质含量约为27.2%，说明其中一部分煤是挥发性的，在燃烧过程中会释放气体。在混合煤球中，50:50和40:60组成的挥发性物质含量相对较高（分别为28.4%），表明这些组合在燃烧过程中释放挥发性气体的潜力较大，更容易被点燃。20:80组成的挥发性物质含量最低（25.0%），表明其燃烧过程中释放挥发性气体的潜力较小。数据清楚地表明，改变不同成分的组成或混合比例会影响煤球的挥发性物质含量。以不同比例混合煤粉可以调整煤球的性质，以适应特定应用的需求，例如控制排放或优化燃烧。挥发性物质含量较低的煤球可能具有更稳定的燃烧过程和较少的气体释放。这是因为可用于燃烧过程的可燃物质较少[7]。在这种情况下，20:80组成的挥发性物质含量较低。挥发性物质含量高的煤球更容易点燃，燃烧速度较快，但由于固定碳比例较低，单位质量的能量值略低[19]。相反，挥发性物质含量较低的煤球固定碳更丰富，能量密度更高，但点燃难度较大[4]。
3.4.4. 固定碳 (FC) 分析
图8展示了固液比 (S/L) 变化对固定碳含量的影响。固定碳是煤的 proximate 分析中的关键参数，代表在标准化加热过程中挥发性物质挥发后剩余的固体可燃残余物。它以煤样总质量的百分比表示，通过从100%中减去测得的水分、挥发性物质和灰分含量间接计算得出。
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图8. 固液比对煤球固定碳含量的影响。
总体趋势表明，随着固体比例的增加，固定碳含量也增加，在40:60比例时达到最大值（约95.3%），随后在液体比例较高时略有下降。这种行为反映了富含碳的煤粉与低碳生物质粘合剂之间的组成平衡。40:60组成的混合煤球具有最高的固定碳含量（95.28%），表明其在能量生成和燃烧效率方面具有较高潜力。70:30组成的固定碳含量也相对较高（94.06%），表明其作为燃料是有前景的组合。在较低的固液比（20:80）下，固定碳含量最低（约90%），这可能是由于粘合剂和水分的比例较高。基于生物质的粘合剂通常含有较多的挥发性物质和氧化化合物，导致其固定碳含量低于煤。Kaliyan和Morey[31]的研究也指出，增加粘合剂含量通常会降低固定碳含量，同时增加挥发性物质。
图8清楚地显示，改变煤粉和仙人掌提取物之间的组成或混合比例可以显著影响煤球的固定碳含量。固定碳含量较高的煤球每单位质量产生的热量和能量更多。固定碳含量较高的煤球可以比固定碳含量较低的煤球持续燃烧更长时间，并减少挥发性有机化合物 (VOCs) 和其他不完全燃烧产生的有害气体的排放[30]。固定碳含量的变化也与热值结果（图9）相吻合，因为较高的固定碳含量通常意味着更多的可燃物质，从而具有更高的热值。相反，固定碳含量较低的样本往往含有较多的挥发性物质或灰分，这会降低燃料效率。
3.5. 热值
煤球的热值用于评估其能量含量。这对于能量评估、对比分析、产品质量评价、优化、环境影响评估和经济考量都非常重要。图9展示了煤球比例变化对热值的影响。
图9显示了固液比 (S/L) 对煤球热值的影响。明显看出，随着固体含量的增加，热值也随之增加。在较低的固液比（20:80）下，热值相对较低，这可能是由于较高的水分和粘合剂含量所致。由于生物质衍生凝胶等粘合剂的固定碳含量通常低于煤炭，因此它们较高的比例会降低煤球的整体能量密度。这一观察结果与研究表明一致，即增加水分和粘合剂含量会由于单位质量的可燃碳减少而降低热值[24]，[31]。将70:30的比例与原始材料进行比较时，热值显著增加，从26.17 MJ/kg上升至26.46 MJ/kg。另一方面，与60:40和50:50的比例相比，热值明显下降，从26.46 MJ/kg降至26.06 MJ/kg。然而，值得注意的是，在50:50比例之后，热值有所回升，在煤球比例为40:60时达到峰值26.57 MJ/kg。这一比例似乎代表了最佳条件，因为它产生了最高的热值。随着固液比的进一步降低，热值呈现出持续下降的趋势，最终降至最低点25.92 MJ/kg。这项分析强调了固液比在影响煤球能量含量方面的关键作用，并突出了找到正确平衡以提高热值的重要性[33]。尽管20:80的混合设计显示出最高的无约束压缩强度（UCS）（图1）并满足了最低的强度要求，但由于其更高的热值，40:60的混合物被选为最佳组合，因为这能在燃烧过程中提高能量输出。因此，40:60在机械强度和燃料效率之间提供了最佳平衡。煤球中过量的粘合剂可能会影响其热值。燃料煤球的热值是衡量其燃烧时能够释放的能量含量的指标。粘合剂通常被添加到煤球中以帮助固定材料，但如果使用过多的粘合剂，它会稀释燃料成分并降低煤球的整体能量密度[8]。在燃烧煤球时，大量的能量可能被用来消耗多余的粘合剂本身，从而降低煤球的有效热值。这可能导致燃烧时产生的热量或能量减少，使其作为燃料的效率降低[30]。在保持结构完整性和使用适量的实际燃料材料之间找到正确的平衡非常重要，以确保高热值。最佳粘合剂与燃料的比例可能因具体应用和所用材料的类型而异，因此进行适当的测试和优化以达到所需的煤球热值是必不可少的。
3.6. 傅里叶变换红外光谱（FTIR）
傅里叶变换红外光谱（FTIR）是一种分析煤粉煤球的有效技术。FTIR通过测量不同波长的红外光吸收来识别和表征样品中的官能团和化学键[41]。图10显示了原始材料以及70:30、60:40和50:50固液比的FTIR谱图；图11则展示了在不同固液比40:60、30:70和20:60条件下，原始煤粉与煤球之间的FTIR结果比较。下载：高分辨率图像（148KB）下载：全尺寸图像
图10. 不同混合设计下的原始煤粉和煤球FTIR - 70:30、60:40和50:50。
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图11. 不同混合设计下的原始煤粉和煤球FTIR - 40:60、30:70和20:80。
数据显示，不同混合设计具有不同的峰谱特征。原始煤粉在605 cm-1处有一个峰，这个波数通常对应于Si-O-Si（硅氧烷）键的弯曲振动，这可能与煤中的硅酸盐或矿物质的存在有关。石英（SiO2）或其他硅酸盐矿物是煤粉中的常见杂质，可能会产生这个峰。在952 cm-1处有一个峰，这个峰可能与各种官能团有关，包括C-H弯曲振动、烷基C-H基团或C-O伸缩振动[33]。1386 cm-1处的峰对应于-CH3基团的对称伸缩振动，常见于有机化合物中。它可能表明煤基质中存在烷基烃。1635 cm-1处的峰与C=C键的伸缩振动相关，这可能表明存在芳香族化合物。煤的有机结构中含有芳香环，因此这个峰可能与芳香碳-碳（C=C）键的存在有关。3497 cm-1处的峰与O-H键的伸缩振动相关，这可能表明存在羟基，如水和酒精中的羟基[26]。
3.7. X射线衍射（XRD）
图12显示了在不同固液比下制备的煤球的矿物组成。下载：高分辨率图像（192KB）下载：全尺寸图像
图12. 原始材料及不同煤球配方的XRD分析。
XRD图谱显示了煤球中存在各种相，如石英（SiO2）、高岭石（Al2Si2O5(OH)4）、方解石（CaCO3）和赤铁矿（Fe2O3）。峰的强度和位置取决于仙人掌凝胶与煤粉的比例。这表明仙人掌凝胶影响了煤球中相的结晶度和取向。大约26度2 theta处的峰是由于石英，这是煤中的常见矿物[52]。随着仙人掌凝胶含量的增加，这个峰变得较弱，表明仙人掌凝胶减少了煤球中的石英含量。大约12度2 theta处的峰是由于高岭石，这是一种可以作为粘合剂的粘土矿物。随着仙人掌凝胶含量的增加，这个峰变得更强，表明仙人掌凝胶促进了煤球中高岭石的形成。大约30度2 theta处的峰是由于方解石，这是一种可以改善煤球燃烧特性的碳酸盐矿物[26]。随着仙人掌凝胶含量的增加，这个峰变得较弱，表明仙人掌凝胶抑制了煤球中方解石的形成。大约33度2 theta处的峰是由于赤铁矿，这是一种可以增加煤球热值的氧化铁矿物[12]。随着仙人掌凝胶含量的增加，这个峰变得更强，表明仙人掌凝胶促进了煤球中赤铁矿的形成[33]。
3.8. 扫描电子显微镜（SEM）
图13显示了不同比例下煤粉煤球的微观结构比较的SEM分析结果。下载：高分辨率图像（921KB）下载：全尺寸图像
图13. 不同混合设计的原始煤粉和煤球的SEM。
使用SEM研究了煤球的微观结构，所有煤球都显示出不同直径的孔隙。由于原始煤粉没有与其他粘合剂结合，它们的孔隙比混合比例的煤球更大。固液比最低的煤球有更多的孔隙，其结构也比其他煤球更不均匀且更紧凑。在煤粒连接点和煤粒内部形成的孔隙与高度挥发性物质的挥发有关[71]。固液比最低的煤球孔隙较小，这可能是由于用于制备煤球的液体（粘合剂）含量较高所致。图表展示了添加粘合剂有助于提高煤球的强度。煤球强度的增强对其运输性能起着重要作用。这种强度与运输便利性之间的关系通过扫描电子显微镜（SEM）结果与图13中的数据之间的显著相关性得到了证实。具体来说，图1中的数据显示，随着固液比的降低，压缩强度显著增加，表明较低的固液比有助于保持结构完整性。此外，研究还结合了图3和图4的结果，这些结果揭示了煤球的抗冲击性和易碎性有所提高。这两个图表都强调，随着固液比的降低，这些性能明显改善。这表明减少比例可以提高煤球的韧性和抗碎性，进一步证明了运输过程中的主要质量的重要性。SEM分析明确证实了粘合剂在煤球组成中的有效性。这不仅加强了SEM数据，还突显了粘合剂在实现煤球所需机械性能方面的作用，进一步增强了其高效运输的可行性。
3.9. X射线荧光（XRF）
图14显示了不同固液比下原始煤粉和煤球的相对组成（重量%）。下载：高分辨率图像（107KB）下载：全尺寸图像
图14. 不同混合设计的原始煤粉和煤球的XRF分析。
分析显示了每个样品中的成分。突出的成分是每个样品的主要组成成分，分别是Fe2O3、SiO2、SO3、Al2O3、CaO和TiO2，它们的重量百分比依次减少。当粘合剂与煤粉混合时，Fe2O3的量会增加。在不同混合设计中Fe2O3的相对比例可能通过作为氧化反应的催化剂来提高点火和燃烧效率。含铁化合物是煤热解和燃烧的有效催化剂，通过降低活化能并促进复杂碳键的断裂来提高反应性[32]。它们加速了烷基和大分子结构分解为较轻的焦油物质和气体产物，同时抑制了重焦油和烟尘的形成[32]。这可以提高煤球的热值，使其作为加热燃料更加有效[15]。石英（SiO2）在燃烧过程中对排放的影响不大，可以在煤球制造过程中有意添加作为粘合剂或添加剂[59]。图14显示，各个样品中石英的相对比例没有显著差异。煤球中的SO3（三氧化硫）的存在可能是一个重要的问题，主要是因为燃烧煤球时它可能对空气造成污染[58]。三氧化硫的含量有所减少，这可能是由于添加了粘合剂，减少了原始煤粉的量。煤球中Al2O3（氧化铝）的存在可能是由于煤原料的天然组成或在煤球生产过程中引入了含铝材料。氧化铝具有耐高温特性，在涉及高温燃烧的应用中是有利的[5]。XRF数据表明，煤球中的大多数主要成分都促进了煤球的燃烧。此外，原始煤粉的灰分含量（6.1%）在煤球样品范围内，表明压块过程并没有显著改变灰分组成，但会根据配方重新分配灰分。这与之前的研究结果一致，即粘合剂的添加和压块过程通常对灰分组成的影响有限，除非引入了大量的无机添加剂。
4. 结论
本研究评估了使用仙人掌凝胶作为煤粉煤球天然粘合剂的可行性。获得的结果表明，仙人掌凝胶的比例显著影响了煤粉煤球的物理、机械和燃烧性能。研究表明，仙人掌凝胶在煤粉煤球中的比例对其机械强度、耐用性和燃料性能有显著影响。增加仙人掌凝胶的含量通常可以改善机械性能：在20:80的煤与仙人掌比例下观察到最高的无约束压缩强度（0.385 MPa）和抗冲击性指数（50），表明高含量的仙人掌凝胶产生了结构更完整的煤球。然而，随着仙人掌含量的增加，易碎性也增加，在20:80比例时达到最大值82.1%，表明虽然这些煤球在压缩下强度较高，但在搬运过程中更容易发生表面破损。煤球的性能表现出权衡：较高的仙人掌含量降低了灰分含量（3.21%）、挥发物（0.25%）、固定碳（90%）和热值（25.92 MJ/kg）。含有40–60%仙人掌凝胶的煤球提供了更好的平衡，保持了适中的无约束压缩强度（0.247 MPa）、可管理的易碎性（77.99%）以及相对较高的固定碳（95.28%）和热值（26.57 MJ/kg）。将石蜡涂在煤块上可以有效防止水分吸收，从而减少其分解，并在处理和储存过程中保持结构完整性。XRF分析表明，添加仙人掌胶后，煤粉煤块的氧化物组成略有变化，主要氧化物（SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃）没有显著变化，而次要氧化物则有所改变，这表明这种粘合剂并未显著影响无机燃料的特性。XRD分析显示，仙人掌胶通过减少石英和方解石的峰值并促进高岭石和赤铁矿的形成，改变了煤粉煤块的结晶结构，从而影响了其相组成和潜在的燃烧性能。SEM分析显示，这些煤块具有相对均匀的结构和较小的孔隙，表明其具有较高的强度和耐久性。FTIR分析表明，加入仙人掌胶后，关键的功能基团（如硅氧烷、烷基、芳香基和羟基）得以保留，这表明它与煤粉兼容，并可能影响煤块的粘结性和燃烧行为。仙人掌胶是一种有效的天然粘合剂，可以调节煤粉的性质：较高的粘合剂含量可以提高机械强度，而适中的粘合剂含量则能优化燃料效率和耐久性，使这些煤块适用于家庭和工业用途。煤粉在燃烧时可能对环境造成污染，同时由于其成分原因，在防水性能方面也存在挑战。因此，必须对煤粉进行妥善处理和处置以减轻这些环境影响。本研究的结果提出了一种可持续的策略，利用仙人掌胶作为天然粘合剂将煤粉转化为耐用的煤块，既能解决与煤粉相关的环境和处理问题，又能生产出更清洁、更环保的燃料。
作者声明：不存在利益冲突。
未引用的参考文献：[17]、[27]、[66]、[9]
CRediT 作者贡献声明：
Tebogo Mashifana：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿创作、可视化、验证、资源准备、项目管理、方法学设计、调查实施、数据分析、概念构思。
