【原创】陶瓷：“成就”废物？

中国粉体网讯  一般工业固体废弃物通常含有丰富的氧化铝、氧化硅、氧化镁等氧化物，将工业废渣资源化利用制备陶瓷材料，不但有助于解决固废的污染问题，还能减少资源的浪费。

微晶玻璃

微晶玻璃又称玻璃陶瓷或结晶化玻璃，是将特定组成的基础玻璃在加热过程中通过控制晶化而制得的一类含有大量微晶相及玻璃相的多晶固体材料。微晶玻璃是一种重要的新型无机非金属材料，具有很高的机械强度、硬度，显著的耐腐蚀、良好的抗热冲击性能，广泛应用于建筑、日用、电子、化工、军工、航空航天、生物和新型光学等领域。

自从前苏联利用尾矿废渣制造微晶陶瓷后使得利用工业固体废弃物制作微晶玻璃的出现为如何解决工业固体废弃物开启了一丝曙光。工业固废通常含有CaO、SiO₂、MgO、Al₂O₃等，可作为生产微晶玻璃的原料，用于生产微晶玻璃是工业固体废弃物重要的利用途径。当前，随着对微晶玻璃需求的增加，资源的紧缺以及固体废物处理处置等一系列问题的出现，国内外学者开始以工业废弃物代替天然原料制备微晶玻璃。

工业固废制备微晶玻璃工艺

微晶玻璃主要制备工艺路线示意图(a)熔融法；(b)烧结法

目前，用于制备微晶玻璃研究的工业固体废弃物原料主要有：尾矿、工业废渣等等。利用矿渣制备的微晶玻璃主要特点是废渣利用率高、耐磨损和耐腐蚀性好、力学性能高，可广泛应用于建筑、机械、化工等领域。

发泡陶瓷

尾矿作为一种硅酸盐、碳酸盐固体废弃物，是一种不燃无机材料。利用尾矿制作不燃的微晶发泡陶瓷保温板是综合利用矿山固废的新途径。

微晶发泡陶瓷

微晶发泡陶瓷在业界有“固废黄金”的美称，是我国建筑陶瓷产业经过产业结构调整和转型升级发展出现的标志性产品。其利用尾矿制备保温板的过程就像面包的烤制一样。经过连续球磨的超细尾矿微粉就像面粉，添加一定的长石、高岭土辅料、发泡剂提高面团的“筋道”；这些面团布置于容器辊道之后，经过超过1200℃高温焙烧，发泡剂释放大量挥发性气体，引起面团的整体膨胀，随着温度的降低，面团中气体挥发后的气孔保存下来，材料内部呈现密集的闭气孔，最终获得多孔、轻质的材料结构，这就是微晶发泡陶瓷。

铝基陶瓷材料

煤基固废物是煤炭在开采和加工过程中，产生的一类难以利用的工业固体废弃物，主要包括煤矸石、粉煤灰、煤气化渣等。

煤基固废处置和利用的产业链布局模式

粉煤灰：主要成分为硅、铝、铁、钙等的氧化物，而高铝粉煤灰中Al₂O₃的含量可达50％ ，接近中等品位铝土矿中的含量，因此可以作为非铝土矿资源生产Al₂O₃。

以粉煤灰为主要原料可制备多孔陶瓷整体材料、多孔陶瓷膜、陶粒、保温隔热材料等，这些材料通常添加不同的添加剂和采用特定的生产工艺来制备。其中，粉煤灰的成分和比例、添加剂的种类和数量、以及烧结温度等因素都会对最终产品的性能产生显著影响。

煤矸石：有大量的SiO₂（含量在30%~60%之间）和Al₂O₃（含量在20%~40%之间），而这些化合物又是常用的陶瓷生产原料，煤矸石本身也具有大量微孔和较高的比表面积。因此，完全可以利用煤矸石来制备机械强度高、耐酸碱腐蚀以及寿命长等具有优异性能的陶瓷等材料。

氧化铝材料：煤矸石中的氧化铝与酸反应得到铝盐溶液，浸出煤矸石中的Al³⁺，留下不与酸反应的非晶态SiO₂，从而实现硅铝分离，滤渣经除杂纯化后得到氧化铝。

氧化铝-碳化硅粉体：采用煤矸石和碳质材料（活性炭、炭黑、无烟煤等）为原料，采用碳热还原法成功制备出高性能低成本的氧化铝-碳化硅粉体，可在工业生产中使用，提高煤矸石的利用率。

塞隆陶瓷粉体：利用煤矸石、炭黑为原料，采用碳热还原氮化法制备了β－Sialon粉体，研究结果表明：在温度为1500℃、氮气流量为2L/min、保温时间为4h的条件下，生成的β－Sialon相最多。另外，向制得的β－Sialon粉体中加入3%的Si₃N₄晶种，可以使粉体结构更加致密，晶粒大小更加均匀。

此外，可利用煤矸石制备多孔莫来石、多孔堇青石和莫来石晶须。建议瞄准百万吨级规模化的煤矸石综合利用项目，分级分质梯级利用，打破行业界限，在工业固废综合利用领域寻求多元化的技术合作和多源固废协同技术攻关，真正实现煤矸石综合高效利用。

硅基陶瓷

太阳能作为清洁、安全、充足、广泛的可再生能源成为当前发展的重点，而在晶体硅太阳能电池集成板的生产过程中，硅片的切割会产生大量的硅粉，由于含有大量的杂质被人们称作“废硅粉”，如何回收再利用成为了当前研究的热点。

罗铜等提出利用太阳能级多品硅切片过程中产生的废硅粉，经过分离提纯后通过微波氮化生产Si₃N₄的新思路，实现太阳能级多品硅切屑的综合利用，提高产品附加值。采用微波加热直接氮化太阳能切割废硅粉制备Si₃N₄粉体和烧结Si₃N₄陶瓷以SiC/Si₃N₄复合材料，与常规烧结方式相比，微波烧结能够促进物相的扩散，提高材料的致密性，相对密度提高了4.77%，可有效提高SiC/Si₃N₄复合材料的热扩散系数，提高了99.20%。  

目前，将晶体硅切割废料应用于耐火材料的资源化利用方法主要是通过氮化处理制备氮化硅，碳热还原法制备碳化硅，为提高硅粉的回收率和纯度，可先对切割废料进行酸洗处理。这些研究主要来源于东北大学，目前高附加值的硅粉的回收至今仍然没有生产应用报道。

来源：

固废综合利用技术：工业固体废弃物微晶玻璃种类

张子英等：工业固废资源化利用在耐火材料方面的研究进展

罗铜：微波加热工业废硅粉制备Si₃N₄及其复合材料研究

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（中国粉体网编辑整理/空青）

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