锂辉石尾矿与废玻璃协同制备陶瓷砖：粒径分级与烧结温度对性能的影响机制研究

针对锂辉石尾矿(QFS)堆积和废玻璃(WG)回收难题，研究人员创新性地将QFS按粒径分级(75-125μm/125-250μm)并与WG复配，通过750-950℃烧结制备环保陶瓷砖。研究发现球磨处理后的QFS-milled样品在950℃下抗弯强度达13.5MPa、吸水率仅5%，且经138次冻融循环和30天醋酸浸泡后性能稳定，为矿山废弃物高值化利用提供了新思路。

　　

随着全球锂需求激增，锂辉石矿选矿产生的尾矿（石英长石砂，QFS）年产量已达数百万吨，传统填埋处理存在土地占用和环境污染风险。与此同时，废玻璃（WG）作为城市固体废弃物的重要组成部分，其回收利用也面临挑战。芬兰研究人员敏锐捕捉到这两类废弃物的协同利用潜力——QFS富含SiO₂和Al₂O₃，而WG含有Na₂O和CaO等助熔成分，理论上可通过高温烧结转化为高附加值陶瓷建材。但现有研究尚未系统考察QFS粒径分布对其陶瓷化性能的影响机制，这成为制约废弃物高值化利用的关键科学问题。

针对这一瓶颈，芬兰Sibanye-Stillwater Oy等机构的研究团队开展了一项创新性研究。他们首次对QFS进行粒径分级（75-125μm、125-250μm）和球磨处理，并与20wt.% WG复配，通过750-950℃梯度烧结制备陶瓷砖。研究采用X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）等技术揭示了原料特性与制品性能的构效关系，发现球磨处理的QFS-milled在950℃下形成50%非晶相和8%硅灰石晶相，闭孔结构使其抗弯强度达13.5MPa（对应1094N破坏载荷），吸水率仅5%，完全满足EN 1304标准对屋面瓦的力学要求。更令人振奋的是，所有样品经138次冻融循环和30天5%醋酸浸泡后仍保持结构完整，其中QFS-milled样品强度保留率高达85%，展现出卓越的环境耐久性。

研究团队通过激光粒度分析、X射线荧光光谱（XRF）等技术系统表征了原料特性。热重-差示扫描量热（TG-DSC）显示QFS在573℃发生α-β石英相变，而WG在700℃出现玻璃化转变。烧结实验采用冷压成型（75kN压力）和梯度升温（5℃/min）工艺，通过三点弯曲、阿基米德法等评估制品性能。

关键发现包括：粒径分级显著影响材料性能，QFS-75-125μm样品因杂质较少呈现更优白度；球磨处理使QFS中值粒径从165μm降至10μm，大幅提升反应活性；WG的助熔作用在950℃时促使非晶相形成，但粗颗粒QFS对此响应较弱。环境评估显示所有原料浸出毒性远低于欧盟标准，证实其生态安全性。

这项发表于《Process Safety and Environmental Protection》的研究具有多重意义：技术上，首次阐明QFS粒径分级对陶瓷性能的影响规律，建立"粒径-结构-性能"调控模型；应用上，开发出符合建筑标准的环保建材，为芬兰年处理60万吨QFS提供解决方案；理论上，揭示了废弃物协同烧结过程中非晶相形成与闭孔结构的调控机制。研究团队建议未来可探索高压成型、热导率优化等方向，推动该技术向产业化迈进。