利用亚马逊铝土矿废料黏土合成钡锶铯榴石陶瓷的绿色制备与性能研究

本研究针对矿业废弃物资源化利用难题，以亚马逊铝土矿洗涤黏土(BWC)为原料，通过碱性活化(1 M NaOH/350°C)-水热合成(100°C/24h)-离子交换(Ba2+/Sr2+)-高温煅烧(1200°C)四步工艺，成功制备出单斜相钡铯榴石(BaAl2Si2O8)和锶铯榴石(SrAl2Si2O8)陶瓷，其中钡铯榴石抗压强度达15.9 MPa，为矿业废料高值化利用提供新范式。

　　

在矿业开发与环境保护矛盾日益突出的背景下，亚马逊地区铝土矿开采产生的洗涤黏土(BWC)堆积问题亟待解决。这种富含三水铝石(gibbsite)和高岭石(kaolinite)的废料，虽含有30.15 wt% Al₂O₃和27.27 wt% SiO₂等高价值成分，却长期被忽视。与此同时，传统铯榴石(celsian)陶瓷制备需1500°C以上高温处理20余小时，能耗高且效率低下。针对这两大痛点，巴西帕拉联邦大学的研究团队创新性地将BWC转化为高性能陶瓷材料，相关成果发表于《Applied Clay Science》。

研究团队采用碱性熔融活化(350°C/2h)-水热结晶(100°C/24h)两步法将BWC转化为羟基方钠石(hydroxisodalite)沸石，再通过离子交换引入Ba²⁺/Sr²⁺后经1200°C热处理，成功获得单斜相钡铯榴石和含霞石(nepheline)杂相的锶铯榴石。关键实验技术包括：X射线荧光光谱(XRF)分析原料组分，同步热分析(TG-DSC)确定相变温度，X射线衍射(XRD)追踪晶型演变，扫描电镜(SEM)观察微观形貌，以及万能试验机测试力学性能。

化学组成
XRF检测显示BWC中SiO₂/Al₂O₃摩尔比达1.5，无需额外调整即满足沸石合成需求，为后续转化奠定物质基础。

矿物学表征
XRD图谱证实原料主要含三水铝石、高岭石及赤铁矿(hematite)等次生相。经碱熔-水热处理后，特征峰位(2θ=14.1°、24.5°、34.3°)明确指向羟基方钠石沸石的形成。

热行为分析
TG-DSC曲线显示Ba-沸石在1150°C出现强烈吸热峰，对应单斜相BaAl₂Si₂O₈的生成；而Sr-沸石在相同温度下仅部分转化，残留霞石相(Sr_1.1Na_0.8Al₂Si₂O₈)。

力学性能
钡铯榴石在低硅配方中展现15.9 MPa的抗压强度，显著优于锶铯榴石的11.94 MPa，这归因于其更完整的单斜相结晶结构。SEM显示前者具有致密的交错片层结构，后者则存在孔隙缺陷。

该研究实现了矿业废料的升级再造，将传统铯榴石陶瓷合成温度降低300°C以上。单斜相钡铯榴石优异的机械性能和热稳定性(热膨胀系数<5×10^-6 °C^-1)，使其在航天器电磁窗口、集成电路基板等高端领域具有应用潜力。Nayara Aparecida Fonseca Couto等研究者通过全流程绿色工艺设计，不仅为亚马逊矿区环境治理提供新思路，更开创了"废土变珍宝"的循环经济模式。特别值得注意的是，该方法可将沸石生产成本降低95%，对推动环保材料产业化具有里程碑意义。