高值化利用工業固廢制備泡沫陶瓷的研究進展目錄TOC\o"1-2"\h\u12860高值化利用工業固廢制備泡沫陶瓷的研究進展 158230引言 186901泡沫陶瓷的應用及制備工藝 15941.1泡沫陶瓷的應用 258161.2泡沫陶瓷的制備工藝 2180792工業固廢制備泡沫陶瓷的研究現狀 216802.1利用粉煤灰制備泡沫陶瓷 2212462.2利用尾礦制備泡沫陶瓷 359862.3利用煤矸石制備泡沫陶瓷 486702.4利用赤泥制備泡沫陶瓷 4157152.5利用其它工業固廢制備泡沫陶瓷 5133373展望 517813參考文獻： 6摘要：利用工業固廢制備泡沫陶瓷長期以來受到大量學者的關注，因其從源頭到末端始終貫穿了綠色、經濟、循環的發展理念。從大宗工業固廢入手，綜述了當前粉煤灰、尾礦和煤矸石等在制備泡沫陶瓷領域的應用和進展，展望并總結了未來的發展趨勢及當前研究需要完善的方面。關鍵詞：工業固廢；泡沫陶瓷；制備機理0引言工業化和城鎮化進程的深入使固體廢棄物的產量與堆存量與日俱增。其中工業固體廢棄物（如尾礦、粉煤灰、赤泥、煤矸石等）對環境造成的壓力尤為巨大，這些工業固廢根據遷移機制的不同對空氣、土壤及水源存在極大的破壞[1,2]。但與此同時，工業固廢也被稱為“放錯位置的資源”[3]，發揮其SiO2、Al2O3及各種金屬氧化物含量較高的優勢制備的泡沫陶瓷是具有晶體相、玻璃相及孔結構的無機硅酸鹽材料。且泡沫陶瓷輕質、高強、耐火耐腐蝕[4]的優點完全符合工業固廢的高值化利用方向，具有廣闊的應用前景與范圍，更具有深刻的研究價值。1泡沫陶瓷的應用及制備工藝1.1泡沫陶瓷的應用泡沫陶瓷誕生之初，由于制備工藝的限制，主要作為過濾材料使用。進入21世紀，得益于制備工藝的進步，泡沫陶瓷的應用范圍隨著孔結構的控制水平提升得到進一步擴展[5]。現已廣泛作為保溫隔熱材料、吸聲材料、催化劑載體等。以工業固廢制備的泡沫陶瓷主要用于建筑墻體材料領域，不僅降低了建筑能耗[6]，還輕了建筑物自重，同時完成了末端減排與源頭治廢。1.2泡沫陶瓷的制備工藝當前制備泡沫陶瓷的主要工藝包括有機泡沫浸漬法、溶膠凝膠法以及粉末燒結法等[7],其中粉末燒結法由于工藝簡單易操作與較好的經濟性被廣泛采用。LiZeng等[8]以粉煤灰和石棉尾礦為原料，從配合料升溫過程中固、液相的轉變闡述了粉末燒結法制備泡沫玻璃陶瓷的膨脹成孔機理，如圖1所示。圖1發泡機理示意圖2工業固廢制備泡沫陶瓷的研究現狀當前我國的大宗工業固廢主要包括粉煤灰、尾礦、煤矸石和冶煉廢渣等，整體的綜合利用率還未達到較高水平，2019年的產生量和利用率如表1所示[9]。為了順利完成“雙碳”目標，提高綜合利用率并降低能耗是重中之重。表1我國2019年大宗工業固廢的產生量及利用率尾礦粉煤灰煤矸石冶煉廢渣爐渣產生量(億噸)10.35.44.84.63.2綜合利用率27%74.7%58.9%88.6%72.7%2.1利用粉煤灰制備泡沫陶瓷粉煤灰是火電廠燃煤過程中從煙道收集的工業固廢。我國火電產業發達，當前在其它能源大量開發與利用的背景下，2020年火電的發電量依然達到了總發電量的71%。而每消耗1t燃煤，將產生250~300kg的粉煤灰[10]，這也就造成了粉煤灰的大量產生與堆存，極大加重了環境的負擔。但其莫來石與石英相含量較高的特點，可以被廣泛應用于泡沫陶瓷的研制。陳冀宇[11]利用粉煤灰、火山灰及碳粉在氮氣氣氛下，以粉末燒結法制備的多孔陶瓷抗折強度達到7.2MPa，體積密度僅為0.46g/cm3，綜合性能優異。包啟富等[12]以粉煤灰和廢玻璃為主要原料并以SiC為發泡劑制備了泡沫陶瓷，研究了保溫時間及燒成溫度對泡沫陶瓷主要物理性能的影響，研究表明在燒成溫度1130℃及保溫時間15min的條件下制備的泡沫陶瓷具有較好的綜合性能，體積密度0.39g/cm3，抗折強度4.6MPa，顯氣孔率12.5%。沈家軍等[13]以粉煤灰為主要原料，采用硼砂、鉀長石等助熔，使用復合發泡劑(炭黑、碳酸鈣及碳化硅)發泡。按照四因素三水平設計正交試驗，通過對樣品物理性能的測試，根據各因素極差的對比分析，得出碳酸鈣最優摻量為6%，碳化硅最優摻量為3%，炭黑最優摻量為2%及最優發泡溫度為1080℃，所制備的泡沫陶瓷抗壓強度為2.23MPa，體積密度為0.56g/cm3，孔隙率為77.91%。WangHao等[14]采用高鋁粉煤灰與廢玻璃并以CaSO4為發泡劑制備了泡沫玻璃陶瓷，通過Factsage7.1軟件設計了配比方案，研究了溫度與原料因素對材料微觀結構和物理性能的影響，當CaSO4摻量為2%，在1200℃燒結所制備的泡沫玻璃陶瓷體積密度為0.98g/cm3，抗壓強度9.84MPa，綜合性能最優。2.2利用尾礦制備泡沫陶瓷民用與國防工業現代化進程的深入需要體量巨大且類型豐富的礦產資源。伴隨著礦產資源的大量消耗，尾礦的產量與堆存量與日俱增，致使尾礦成為我國目前每年產量最高的固體廢物，到2019年底，堆存量已達到195億t[15]，而尾礦較低的利用率也使其對環境的威脅愈發加大。常見的尾礦主要有鐵尾礦、鉬尾礦、鈦尾礦及金尾礦等，這些尾礦中不僅含有常見的硅、鋁氧化物，還有含量較高的高價金屬氧化物，這些高價金屬是良好的晶核劑，可以促進晶體相的生成，優化泡沫陶瓷的性能，所以利用尾礦制備泡沫陶瓷成為當前的研究熱點。潘德安等[16]利用鐵尾礦為主要原料，以SiC為發泡劑制備保溫泡沫陶瓷，研究了各原料摻量及燒成溫度對泡沫陶瓷抗壓強度、吸水率及體積密度的影響。當燒成溫度為1160℃時，按照鐵尾礦55%、高嶺土18%、黏土18%、鈉長石1.8%、鉀長石7.2%、碳化硅0.4%制備的泡沫陶瓷以閉口氣孔為主，抗壓強度7.65MPa，體積密度僅為0.6g/cm3。趙威等[17]以SiC為發泡劑，商洛鉬尾礦為主要原料制備了泡沫陶瓷，探究了升溫制度與原料組成對泡沫陶瓷結構與性能的影響，結果表明隨著燒成溫度的提高、保溫時間的延長、鉬尾礦的減少和發泡劑的增多都會使泡沫陶瓷的平均孔徑增加、體積密度降低以及抗壓強度降低，在最優條件下制備的泡沫陶瓷體積密度低至0.33g/cm3，此時抗壓強度為2.6MPa，平均孔徑1.2mm。ZhengW.M.等[18]利用石棉尾礦和廢玻璃制備了自膨脹泡沫玻璃陶瓷，主要研究了廢玻璃摻量與燒成溫度對材料孔結構、相組成及物理性能的影響，在1180℃制備出體積密度為0.96g/cm3，體積膨脹率為93%且抗壓強度為14MPa的樣品。張宏泉等[19]采用鋰尾礦配合碎玻璃、芒硝、硼砂、碳化硅和氟硅酸鈉制備出的的泡沫陶瓷抗壓強度為4.14MPa，體積密度為0.68g/cm3，導熱系數為0.282W/(m·K)，配方中鋰尾礦的利用率高達70%，具有較好的經濟效益。2.3利用煤矸石制備泡沫陶瓷由于煤炭在我國能源結構中的重要地位，致使采煤與洗煤過程中產生的煤矸石產量大、存量高。當前我國煤矸石存量已超過70億t，且以每年3~3.5億t的速度增加[20]，嚴重危害了土壤、水體及空氣。婁廣輝等[21]利用煤矸石、赤泥和廢玻璃為主要原料，分別采用CaCO3、Na2SiO3·9H2O和MnO2為發泡劑制備了泡沫陶瓷。結果表明MnO2是最匹配的發泡劑，在其摻量為3%的情況下，制備的泡沫陶瓷體積密度為0.589g/cm3，吸水率為2.95%，綜合性能較好。王超男等[22]以廢陶瓷和煤矸石為原料，以碳酸鈣為發泡劑，并采用長石助熔，研究了燒結溫度對泡沫陶瓷物理性能的影響。結果表明泡沫陶瓷的氣孔率隨燒結溫度的上升出現先增后減的趨勢，制備的泡沫陶瓷最大顯氣孔率為57.1%，最大的抗壓強度可達34MPa。石紀軍等[23]以煤矸石和尾砂為主要原料制備了泡沫陶瓷，其導熱系數隨著體積密度的升高從0.06W/(m·K)增大到0.2W/(m·K)，抗壓強度也從0.3MPa提升到15.2MPa，同時制備的泡沫陶瓷孔壁上析出Mg2Al4Si5O18晶體，孔徑均勻且以圓形閉孔為主。2.4利用赤泥制備泡沫陶瓷赤泥是氧化鋁生產過程中產生的強堿性泥漿狀固廢，因含有氧化鐵呈紅色[24]。每生產1t的氧化鋁約排放1.5t的赤泥。我國作為世界第一的氧化鋁生產大國，當前赤泥的堆存量已超過6t[25]。由于赤泥的強堿性，會對環境產生巨大的不良影響。故對赤泥進行無害化、高值化利用以制備多孔陶瓷越來越被廣大學者重視。李勇沖等[26]以SiC為發泡劑，并以赤泥、砂巖和煤矸石為主要原料制備了泡沫陶瓷，研究了體積密度隨燒成溫度的變化，當赤泥摻量在37%時候，膨脹發泡效果最好，因為過多的Al2O3含量不利于坯體高溫下發泡，最終制備的泡沫陶瓷體積密度穩定在0.15g/cm3~0.4g/cm3之間。姜蔥蔥等[27]以赤泥、石英砂與粉煤灰制備了赤泥輕質保溫材料，研究了升溫速率和煅燒溫度對其物性的影響。當燒結溫度1150℃、升溫速率6℃/min制備的輕質保溫材料具有良好的綜合性能，此時體積密度為0.527g/cm3，抗壓強度為3.4MPa，導熱系數為0.105W/(m·K)。LiuTaoyong等[28]以赤泥為主要原料制備了泡沫玻璃陶瓷，制備過程中的各種屬性均表現出對溫度的依賴，在980℃制備出綜合最優性能的樣品，其體積密度為0.67g/cm3，孔隙率為69.2%，抗壓強度為7.4MPa的同時耐腐蝕性優異。2.5利用其它工業固廢制備泡沫陶瓷除了上述以尾礦、煤矸石與粉煤灰等為主要原料制備泡沫陶瓷外。還有學者利用拋光磚廢渣，鋼渣及油頁巖等為主要原料制備泡沫陶瓷，這些工業固廢同樣具有較高的SiO2和Al2O3含量，所以也具有制備無機硅酸鹽材料的潛力。李良龍等[29]采用拋光磚廢渣制備了泡沫陶瓷。通過正交實驗法確定了最優工藝配方，并借助XRD、SEM和光學熱膨脹儀表征分析了其理化性能，在磨頭廢屑摻量為2%及最優的燒結制度下制備出體積密度為0.35g/cm3的泡沫陶瓷。NiuYonghon等[30]以瓷粉和熔渣為主要原料通過粉末燒結法制備了泡沫玻璃陶瓷，借助Vogel-Fulcher-Tammann模型分析了Na2CO3摻量對燒結過程中粘度的影響，實驗表明Na2CO3摻量的增加使熔體高溫下的液相粘度降低，體積密度減小，抗壓強度先增后減，樣品主要晶體相為CaSiO3和CaMgSi2O6，最優樣品抗壓強度13.06MPa，體積密度0.731g/cm3。郭偉等[31]利用鋼渣和滑石為主要原料，以硼酸助熔、SiC發泡制備了以透輝石為主晶相的泡沫陶瓷，在燒成溫度為1150℃時，試樣主晶相為6~9μm的粗短棱柱狀與10~20μm的長棱柱狀透輝石晶體。楊紹函等[32]以油頁巖、玻璃粉及高嶺土為主要原料制備了泡沫陶瓷，并研究了各種原料摻量對樣品物理性能的影響。實驗結果說明1050℃~1150℃的燒成溫度區間與3%~7%的發泡劑摻量較為適宜，最終通過正交試驗優化出油頁巖粉:玻璃粉:高嶺土=9:1:0、1150℃的燒成溫度及5%發泡劑摻量的最佳方案。3展望利用工業固廢制備硅酸鹽系泡沫陶瓷，極大地提高了其附加值和應用范圍，較好地完成了環境治理與資源循環利用的目標，推進了“碳達峰”和“碳中和”戰略的深化，具備多重優勢。從實驗室角度出發，當前的相關研究已經達到了一定水準，但是從技術的推廣和大規模應用方面來看，還有以下問題需要進一步深挖和解決。（1）降低燒結溫度。工業固廢的熔融溫度普遍較高，選擇合理途徑降低其粘滯活化能并發泡，可以有效減少能源消耗，促進其全生命周期節能效果的提升。（2）提升低品固廢使用率。在低品位固廢配合高品位固廢或者不可再生礦產資源制備泡沫陶瓷的試驗研究中，應在保證基本性能相差不大的情況下優化配方，提升低品位固廢在配方中的占比，深度完成工業固廢的消納和高值化利用。（3）優化性能。通過多種儀器，進一步確定適宜的配方和升溫制度以制備泡沫陶瓷，達到優化泡沫陶瓷各項物性的目的。例如通過TOM—AC光熱測量系統相較于差示掃描量熱儀可以更直觀的確定發泡溫度，控制泡沫陶瓷的成孔過程，進而優化其物理性能。（4）多種工業固廢協同利用。工業固廢根據產出方式的不同使其具有不同的效果，可以在制備泡沫陶瓷的過程中，充分發揮各固廢的潛在效果并協同利用，以達到各種工業固廢耦合共生的目的。例如尾礦中含有類似Pb、Ti和Mo等高價金屬的氧化物，可作為晶核劑促進析晶，改善泡沫陶瓷性能。陶瓷拋光渣、粉煤灰及煤矸石等高溫下具有產氣效果，可作為發泡劑替代各類化學試劑，降低成本。參考文獻：[1]董金龍，趙婷婷，王松，等.山西部分礦區煤矸石中重金屬含量分析及遷移轉化研究[J].煤炭加工與綜合利用，2021(05)：93-98.[2]陳紅丹，郝喆，滕達，等.降雨-蒸發與地下水耦合作用下的大型尾礦庫重金屬Cu2+遷移數值模擬分析[J].有色金屬工程，2021，11(04)：133-142.[3]魯揚.讓放錯位置的資源歸位[N].中華建筑報，2006-04-08(003).[4]王海波，孫青竹.利用工業固體廢棄物制備微晶泡沫玻璃的研究現狀及展望[J].硅酸鹽通報，2017，36(11)：3697-3702.[5]陳軍超，任鳳章，馬戰紅，等.泡沫陶瓷的制備方法及應用[J].中國陶瓷，2009，45(01)：8-12.[6]邱春麗，張俊苗.閉孔泡沫陶瓷的研究現狀及應用前景[J].廣州化工，2015，43(15)：10-11+48.[7]張文毓.泡沫陶瓷的研究現狀與應用進展[J].陶瓷，2019(11)：9-14.[8]LiZeng,HongjuanSun,TongjiangPeng,etal.Preparationofporousglass-ceramicsfromcoalflyashandasbestostailingsbyhigh-temperaturepore-forming[J].WasteManagement，2020，106.[9]再協.2020年全國大、中城市固體廢物污染環境防治年報[J].中國資源綜合利用，2021，39(01)：4.[10]姜龍.燃煤電廠粉煤灰綜合利用現狀及發展建議[J].潔凈煤技術，2020，26(04)：31-39.[11]陳冀宇.利用粉煤灰生產泡沫陶瓷[J].粉煤灰，1998(04)：40.[12]包啟富，董偉霞，周健兒，等.利用粉煤灰和玻璃廢料制備泡沫陶瓷的燒成工藝[J].稀有金屬材料與工程，2015，44(S1)：358-360.[13]沈家軍，薛群虎，劉一軍，等.粉煤灰制備泡沫陶瓷工藝參數優化[J].硅酸鹽通報，2016，35(02)：617-622.[14]HaoWang,ZiweiChen,RuJi,etal.Integratedutilizationofhighaluminaflyashforsynthesisoffoamglassceramic[J].CeramicsInternational，2018，44(12).[15]盧瑞楨，甘敏，林欣威.礦山尾礦資源綜合利用現狀及前景分析[J].現代礦業，2020，36(12)：5-7.[16]潘德安，逯海洋，劉曉敏，等.高硅鐵尾礦制備輕質閉孔泡沫陶瓷研究[J].中國陶瓷，2020，56(03)：51-58.[17]趙威，王彬宇，劉明寶，等.以商洛鉬尾礦為主要原料制備泡沫陶瓷的研究[J].中國陶瓷，2017，53(08)：53-58.[18]W.M.Zheng,H.J.Sun,T.J.Peng,etal.NovelPreparationofFoamedGlass-ceramicsfromAsbestosTailingsandWasteGlassbySelf-expansioninHighTemperature[J].JournalofNon-CrystallineSolids，2020，529.[19]張宏泉，文進，童慧，等.添加劑對鋰尾礦制備泡沫玻璃陶瓷的作用研究[J].陶瓷，2021(02)：16-19.[20]王曉棟，張玥，陳松，等.煤矸石資源化利用的研究進展[J].化學工程師，2021，35(04)：68-69+63.[21]婁廣輝，王治，徐開東，等.煤矸石基泡沫陶瓷配方與發泡劑匹配性研究[J].新型建筑材料，2020，47(08)：139-143.[22]王超男，胡新萍，任濤，等.利用煤矸石及廢陶瓷制備泡沫陶瓷的研究[J].江西建材，2020(08)：28-29.[23]石紀軍，鄧一星，孫國梁.尾砂和煤矸石制備閉孔泡沫陶瓷的導熱性能研究[J].新型建筑材料，2020，47(12)：103-106.[24]夏帆，崔詩才，蒲錫鵬.赤泥綜合利用現狀綜述[J].中國資