【高值化利用工业固废制备泡沫陶瓷的探究进展（论文）5600字】

高值化利用工业固废制备泡沫陶瓷的研究进展目录TOC\o"1-2"\h\u12860高值化利用工业固废制备泡沫陶瓷的研究进展 158230引言 186901泡沫陶瓷的应用及制备工艺 15941.1泡沫陶瓷的应用 258161.2泡沫陶瓷的制备工艺 2180792工业固废制备泡沫陶瓷的研究现状 216802.1利用粉煤灰制备泡沫陶瓷 2212462.2利用尾矿制备泡沫陶瓷 359862.3利用煤矸石制备泡沫陶瓷 486702.4利用赤泥制备泡沫陶瓷 4157152.5利用其它工业固废制备泡沫陶瓷 5133373展望 517813参考文献： 6摘要：利用工业固废制备泡沫陶瓷长期以来受到大量学者的关注，因其从源头到末端始终贯穿了绿色、经济、循环的发展理念。从大宗工业固废入手，综述了当前粉煤灰、尾矿和煤矸石等在制备泡沫陶瓷领域的应用和进展，展望并总结了未来的发展趋势及当前研究需要完善的方面。关键词：工业固废；泡沫陶瓷；制备机理0引言工业化和城镇化进程的深入使固体废弃物的产量与堆存量与日俱增。其中工业固体废弃物（如尾矿、粉煤灰、赤泥、煤矸石等）对环境造成的压力尤为巨大，这些工业固废根据迁移机制的不同对空气、土壤及水源存在极大的破坏[1,2]。但与此同时，工业固废也被称为“放错位置的资源”[3]，发挥其SiO2、Al2O3及各种金属氧化物含量较高的优势制备的泡沫陶瓷是具有晶体相、玻璃相及孔结构的无机硅酸盐材料。且泡沫陶瓷轻质、高强、耐火耐腐蚀[4]的优点完全符合工业固废的高值化利用方向，具有广阔的应用前景与范围，更具有深刻的研究价值。1泡沫陶瓷的应用及制备工艺1.1泡沫陶瓷的应用泡沫陶瓷诞生之初，由于制备工艺的限制，主要作为过滤材料使用。进入21世纪，得益于制备工艺的进步，泡沫陶瓷的应用范围随着孔结构的控制水平提升得到进一步扩展[5]。现已广泛作为保温隔热材料、吸声材料、催化剂载体等。以工业固废制备的泡沫陶瓷主要用于建筑墙体材料领域，不仅降低了建筑能耗[6]，还轻了建筑物自重，同时完成了末端减排与源头治废。1.2泡沫陶瓷的制备工艺当前制备泡沫陶瓷的主要工艺包括有机泡沫浸渍法、溶胶凝胶法以及粉末烧结法等[7],其中粉末烧结法由于工艺简单易操作与较好的经济性被广泛采用。LiZeng等[8]以粉煤灰和石棉尾矿为原料，从配合料升温过程中固、液相的转变阐述了粉末烧结法制备泡沫玻璃陶瓷的膨胀成孔机理，如图1所示。图1发泡机理示意图2工业固废制备泡沫陶瓷的研究现状当前我国的大宗工业固废主要包括粉煤灰、尾矿、煤矸石和冶炼废渣等，整体的综合利用率还未达到较高水平，2019年的产生量和利用率如表1所示[9]。为了顺利完成“双碳”目标，提高综合利用率并降低能耗是重中之重。表1我国2019年大宗工业固废的产生量及利用率尾矿粉煤灰煤矸石冶炼废渣炉渣产生量(亿吨)10.35.44.84.63.2综合利用率27%74.7%58.9%88.6%72.7%2.1利用粉煤灰制备泡沫陶瓷粉煤灰是火电厂燃煤过程中从烟道收集的工业固废。我国火电产业发达，当前在其它能源大量开发与利用的背景下，2020年火电的发电量依然达到了总发电量的71%。而每消耗1t燃煤，将产生250~300kg的粉煤灰[10]，这也就造成了粉煤灰的大量产生与堆存，极大加重了环境的负担。但其莫来石与石英相含量较高的特点，可以被广泛应用于泡沫陶瓷的研制。陈冀宇[11]利用粉煤灰、火山灰及碳粉在氮气气氛下，以粉末烧结法制备的多孔陶瓷抗折强度达到7.2MPa，体积密度仅为0.46g/cm3，综合性能优异。包启富等[12]以粉煤灰和废玻璃为主要原料并以SiC为发泡剂制备了泡沫陶瓷，研究了保温时间及烧成温度对泡沫陶瓷主要物理性能的影响，研究表明在烧成温度1130℃及保温时间15min的条件下制备的泡沫陶瓷具有较好的综合性能，体积密度0.39g/cm3，抗折强度4.6MPa，显气孔率12.5%。沈家军等[13]以粉煤灰为主要原料，采用硼砂、钾长石等助熔，使用复合发泡剂(炭黑、碳酸钙及碳化硅)发泡。按照四因素三水平设计正交试验，通过对样品物理性能的测试，根据各因素极差的对比分析，得出碳酸钙最优掺量为6%，碳化硅最优掺量为3%，炭黑最优掺量为2%及最优发泡温度为1080℃，所制备的泡沫陶瓷抗压强度为2.23MPa，体积密度为0.56g/cm3，孔隙率为77.91%。WangHao等[14]采用高铝粉煤灰与废玻璃并以CaSO4为发泡剂制备了泡沫玻璃陶瓷，通过Factsage7.1软件设计了配比方案，研究了温度与原料因素对材料微观结构和物理性能的影响，当CaSO4掺量为2%，在1200℃烧结所制备的泡沫玻璃陶瓷体积密度为0.98g/cm3，抗压强度9.84MPa，综合性能最优。2.2利用尾矿制备泡沫陶瓷民用与国防工业现代化进程的深入需要体量巨大且类型丰富的矿产资源。伴随着矿产资源的大量消耗，尾矿的产量与堆存量与日俱增，致使尾矿成为我国目前每年产量最高的固体废物，到2019年底，堆存量已达到195亿t[15]，而尾矿较低的利用率也使其对环境的威胁愈发加大。常见的尾矿主要有铁尾矿、钼尾矿、钛尾矿及金尾矿等，这些尾矿中不仅含有常见的硅、铝氧化物，还有含量较高的高价金属氧化物，这些高价金属是良好的晶核剂，可以促进晶体相的生成，优化泡沫陶瓷的性能，所以利用尾矿制备泡沫陶瓷成为当前的研究热点。潘德安等[16]利用铁尾矿为主要原料，以SiC为发泡剂制备保温泡沫陶瓷，研究了各原料掺量及烧成温度对泡沫陶瓷抗压强度、吸水率及体积密度的影响。当烧成温度为1160℃时，按照铁尾矿55%、高岭土18%、黏土18%、钠长石1.8%、钾长石7.2%、碳化硅0.4%制备的泡沫陶瓷以闭口气孔为主，抗压强度7.65MPa，体积密度仅为0.6g/cm3。赵威等[17]以SiC为发泡剂，商洛钼尾矿为主要原料制备了泡沫陶瓷，探究了升温制度与原料组成对泡沫陶瓷结构与性能的影响，结果表明随着烧成温度的提高、保温时间的延长、钼尾矿的减少和发泡剂的增多都会使泡沫陶瓷的平均孔径增加、体积密度降低以及抗压强度降低，在最优条件下制备的泡沫陶瓷体积密度低至0.33g/cm3，此时抗压强度为2.6MPa，平均孔径1.2mm。ZhengW.M.等[18]利用石棉尾矿和废玻璃制备了自膨胀泡沫玻璃陶瓷，主要研究了废玻璃掺量与烧成温度对材料孔结构、相组成及物理性能的影响，在1180℃制备出体积密度为0.96g/cm3，体积膨胀率为93%且抗压强度为14MPa的样品。张宏泉等[19]采用锂尾矿配合碎玻璃、芒硝、硼砂、碳化硅和氟硅酸钠制备出的的泡沫陶瓷抗压强度为4.14MPa，体积密度为0.68g/cm3，导热系数为0.282W/(m·K)，配方中锂尾矿的利用率高达70%，具有较好的经济效益。2.3利用煤矸石制备泡沫陶瓷由于煤炭在我国能源结构中的重要地位，致使采煤与洗煤过程中产生的煤矸石产量大、存量高。当前我国煤矸石存量已超过70亿t，且以每年3~3.5亿t的速度增加[20]，严重危害了土壤、水体及空气。娄广辉等[21]利用煤矸石、赤泥和废玻璃为主要原料，分别采用CaCO3、Na2SiO3·9H2O和MnO2为发泡剂制备了泡沫陶瓷。结果表明MnO2是最匹配的发泡剂，在其掺量为3%的情况下，制备的泡沫陶瓷体积密度为0.589g/cm3，吸水率为2.95%，综合性能较好。王超男等[22]以废陶瓷和煤矸石为原料，以碳酸钙为发泡剂，并采用长石助熔，研究了烧结温度对泡沫陶瓷物理性能的影响。结果表明泡沫陶瓷的气孔率随烧结温度的上升出现先增后减的趋势，制备的泡沫陶瓷最大显气孔率为57.1%，最大的抗压强度可达34MPa。石纪军等[23]以煤矸石和尾砂为主要原料制备了泡沫陶瓷，其导热系数随着体积密度的升高从0.06W/(m·K)增大到0.2W/(m·K)，抗压强度也从0.3MPa提升到15.2MPa，同时制备的泡沫陶瓷孔壁上析出Mg2Al4Si5O18晶体，孔径均匀且以圆形闭孔为主。2.4利用赤泥制备泡沫陶瓷赤泥是氧化铝生产过程中产生的强碱性泥浆状固废，因含有氧化铁呈红色[24]。每生产1t的氧化铝约排放1.5t的赤泥。我国作为世界第一的氧化铝生产大国，当前赤泥的堆存量已超过6t[25]。由于赤泥的强碱性，会对环境产生巨大的不良影响。故对赤泥进行无害化、高值化利用以制备多孔陶瓷越来越被广大学者重视。李勇冲等[26]以SiC为发泡剂，并以赤泥、砂岩和煤矸石为主要原料制备了泡沫陶瓷，研究了体积密度随烧成温度的变化，当赤泥掺量在37%时候，膨胀发泡效果最好，因为过多的Al2O3含量不利于坯体高温下发泡，最终制备的泡沫陶瓷体积密度稳定在0.15g/cm3~0.4g/cm3之间。姜葱葱等[27]以赤泥、石英砂与粉煤灰制备了赤泥轻质保温材料，研究了升温速率和煅烧温度对其物性的影响。当烧结温度1150℃、升温速率6℃/min制备的轻质保温材料具有良好的综合性能，此时体积密度为0.527g/cm3，抗压强度为3.4MPa，导热系数为0.105W/(m·K)。LiuTaoyong等[28]以赤泥为主要原料制备了泡沫玻璃陶瓷，制备过程中的各种属性均表现出对温度的依赖，在980℃制备出综合最优性能的样品，其体积密度为0.67g/cm3，孔隙率为69.2%，抗压强度为7.4MPa的同时耐腐蚀性优异。2.5利用其它工业固废制备泡沫陶瓷除了上述以尾矿、煤矸石与粉煤灰等为主要原料制备泡沫陶瓷外。还有学者利用抛光砖废渣，钢渣及油页岩等为主要原料制备泡沫陶瓷，这些工业固废同样具有较高的SiO2和Al2O3含量，所以也具有制备无机硅酸盐材料的潜力。李良龙等[29]采用抛光砖废渣制备了泡沫陶瓷。通过正交实验法确定了最优工艺配方，并借助XRD、SEM和光学热膨胀仪表征分析了其理化性能，在磨头废屑掺量为2%及最优的烧结制度下制备出体积密度为0.35g/cm3的泡沫陶瓷。NiuYonghon等[30]以瓷粉和熔渣为主要原料通过粉末烧结法制备了泡沫玻璃陶瓷，借助Vogel-Fulcher-Tammann模型分析了Na2CO3掺量对烧结过程中粘度的影响，实验表明Na2CO3掺量的增加使熔体高温下的液相粘度降低，体积密度减小，抗压强度先增后减，样品主要晶体相为CaSiO3和CaMgSi2O6，最优样品抗压强度13.06MPa，体积密度0.731g/cm3。郭伟等[31]利用钢渣和滑石为主要原料，以硼酸助熔、SiC发泡制备了以透辉石为主晶相的泡沫陶瓷，在烧成温度为1150℃时，试样主晶相为6~9μm的粗短棱柱状与10~20μm的长棱柱状透辉石晶体。杨绍函等[32]以油页岩、玻璃粉及高岭土为主要原料制备了泡沫陶瓷，并研究了各种原料掺量对样品物理性能的影响。实验结果说明1050℃~1150℃的烧成温度区间与3%~7%的发泡剂掺量较为适宜，最终通过正交试验优化出油页岩粉:玻璃粉:高岭土=9:1:0、1150℃的烧成温度及5%发泡剂掺量的最佳方案。3展望利用工业固废制备硅酸盐系泡沫陶瓷，极大地提高了其附加值和应用范围，较好地完成了环境治理与资源循环利用的目标，推进了“碳达峰”和“碳中和”战略的深化，具备多重优势。从实验室角度出发，当前的相关研究已经达到了一定水准，但是从技术的推广和大规模应用方面来看，还有以下问题需要进一步深挖和解决。（1）降低烧结温度。工业固废的熔融温度普遍较高，选择合理途径降低其粘滞活化能并发泡，可以有效减少能源消耗，促进其全生命周期节能效果的提升。（2）提升低品固废使用率。在低品位固废配合高品位固废或者不可再生矿产资源制备泡沫陶瓷的试验研究中，应在保证基本性能相差不大的情况下优化配方，提升低品位固废在配方中的占比，深度完成工业固废的消纳和高值化利用。（3）优化性能。通过多种仪器，进一步确定适宜的配方和升温制度以制备泡沫陶瓷，达到优化泡沫陶瓷各项物性的目的。例如通过TOM—AC光热测量系统相较于差示扫描量热仪可以更直观的确定发泡温度，控制泡沫陶瓷的成孔过程，进而优化其物理性能。（4）多种工业固废协同利用。工业固废根据产出方式的不同使其具有不同的效果，可以在制备泡沫陶瓷的过程中，充分发挥各固废的潜在效果并协同利用，以达到各种工业固废耦合共生的目的。例如尾矿中含有类似Pb、Ti和Mo等高价金属的氧化物，可作为晶核剂促进析晶，改善泡沫陶瓷性能。陶瓷抛光渣、粉煤灰及煤矸石等高温下具有产气效果，可作为发泡剂替代各类化学试剂，降低成本。参考文献：[1]董金龙，赵婷婷，王松，等.山西部分矿区煤矸石中重金属含量分析及迁移转化研究[J].煤炭加工与综合利用，2021(05)：93-98.[2]陈红丹，郝喆，滕达，等.降雨-蒸发与地下水耦合作用下的大型尾矿库重金属Cu2+迁移数值模拟分析[J].有色金属工程，2021，11(04)：133-142.[3]鲁扬.让放错位置的资源归位[N].中华建筑报，2006-04-08(003).[4]王海波，孙青竹.利用工业固体废弃物制备微晶泡沫玻璃的研究现状及展望[J].硅酸盐通报，2017，36(11)：3697-3702.[5]陈军超，任凤章，马战红，等.泡沫陶瓷的制备方法及应用[J].中国陶瓷，2009，45(01)：8-12.[6]邱春丽，张俊苗.闭孔泡沫陶瓷的研究现状及应用前景[J].广州化工，2015，43(15)：10-11+48.[7]张文毓.泡沫陶瓷的研究现状与应用进展[J].陶瓷，2019(11)：9-14.[8]LiZeng,HongjuanSun,TongjiangPeng,etal.Preparationofporousglass-ceramicsfromcoalflyashandasbestostailingsbyhigh-temperaturepore-forming[J].WasteManagement，2020，106.[9]再协.2020年全国大、中城市固体废物污染环境防治年报[J].中国资源综合利用，2021，39(01)：4.[10]姜龙.燃煤电厂粉煤灰综合利用现状及发展建议[J].洁净煤技术，2020，26(04)：31-39.[11]陈冀宇.利用粉煤灰生产泡沫陶瓷[J].粉煤灰，1998(04)：40.[12]包启富，董伟霞，周健儿，等.利用粉煤灰和玻璃废料制备泡沫陶瓷的烧成工艺[J].稀有金属材料与工程，2015，44(S1)：358-360.[13]沈家军，薛群虎，刘一军，等.粉煤灰制备泡沫陶瓷工艺参数优化[J].硅酸盐通报，2016，35(02)：617-622.[14]HaoWang,ZiweiChen,RuJi,etal.Integratedutilizationofhighaluminaflyashforsynthesisoffoamglassceramic[J].CeramicsInternational，2018，44(12).[15]卢瑞桢，甘敏，林欣威.矿山尾矿资源综合利用现状及前景分析[J].现代矿业，2020，36(12)：5-7.[16]潘德安，逯海洋，刘晓敏，等.高硅铁尾矿制备轻质闭孔泡沫陶瓷研究[J].中国陶瓷，2020，56(03)：51-58.[17]赵威，王彬宇，刘明宝，等.以商洛钼尾矿为主要原料制备泡沫陶瓷的研究[J].中国陶瓷，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]张宏泉，文进，童慧，等.添加剂对锂尾矿制备泡沫玻璃陶瓷的作用研究[J].陶瓷，2021(02)：16-19.[20]王晓栋，张玥，陈松，等.煤矸石资源化利用的研究进展[J].化学工程师，2021，35(04)：68-69+63.[21]娄广辉，王治，徐开东，等.煤矸石基泡沫陶瓷配方与发泡剂匹配性研究[J].新型建筑材料，2020，47(08)：139-143.[22]王超男，胡新萍，任涛，等.利用煤矸石及废陶瓷制备泡沫陶瓷的研究[J].江西建材，2020(08)：28-29.[23]石纪军，邓一星，孙国梁.尾砂和煤矸石制备闭孔泡沫陶瓷的导热性能研究[J].新型建筑材料，2020，47(12)：103-106.[24]夏帆，崔诗才，蒲锡鹏.赤泥综合利用现状综述[J].中国资