硼砂改性污泥基功能陶粒的多尺度表征：性能、微观结构与环境风险

为解决污泥陶粒生产能耗高及重金属(HMs)释放风险问题，西安建筑科技大学团队以市政脱水污泥为原料，通过硼砂-硅灰石协同烧结在900°C制备功能陶粒(SWB)。研究发现含8wt%硼砂的SWB具有优异机械强度(体积损失率11.73%)、高磷吸附性及铝硅酸盐玻璃相(ASGP)介导的重金属固化效应，Cr固定效果显著而As轻微超标，为低环境风险的环保水处理材料提供新方案。

　　

随着城市化进程加速，污泥处置已成为全球性环境挑战。传统填埋和焚烧处理方式不仅占用土地资源，还可能造成二次污染。在此背景下，将污泥转化为陶粒（ceramisites）的资源化技术备受关注。这种技术既能实现污泥无害化处理，又可制备具有水处理功能的环保材料。然而现有工艺存在两大瓶颈：烧结温度普遍超过1000°C导致能耗过高，以及重金属（heavy metals, HMs）长期浸出风险尚未明确。

西安建筑科技大学的研究团队在《Journal of Environmental Management》发表研究，创新性地采用硼砂（borax）和硅灰石（wollastonite）作为复合助熔剂，将烧结温度降至900°C，成功制备出兼具优异性能和低环境风险的污泥基功能陶粒（sludge-derived functional ceramisites, SWB）。该研究通过多尺度表征揭示了材料性能提升的微观机制，并对重金属释放风险进行了系统评估。

研究采用X射线荧光光谱（XRF）分析原料成分，通过热重-差示扫描量热法（TG-DSC）确定烧结制度。利用X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）表征材料晶体结构和微观形貌，结合氮磷吸附实验评估功能性能，最后通过毒性特征浸出程序（TCLP）和长期动态浸出实验评价环境风险。

硼砂含量对陶粒性能的影响
当硼砂添加量超过8wt%时，SWB实现完全烧结，机械强度显著提升。SWB-10样品的吸水率（87.15%）和损失率（1.24%）均优于未添加硼砂的对照组（SW）。研究发现铝硅酸盐玻璃相（aluminosilicate glass phase, ASGP）的形成是强度提升的关键，该相能有效包裹重金属颗粒。

微观结构特征
SEM显示SWB表面形成致密的玻璃化结构，XRD证实ASGP的存在。这种非晶相在900°C低温下即可形成，归因于硼砂分解产生的Na₂O和B₂O₃与硅灰石的协同作用，显著降低熔融温度。

环境风险评价
TCLP测试表明ASGP对Cr的固定效果最佳，浸出浓度仅为限值的12%。虽然As存在轻微超标（1.2倍标准值），但长期浸出实验证实其累积释放量仍在安全阈值内。通过风险编码法评估，SWB的环境风险指数仅为0.38，属于"可忽略"等级。

该研究首次系统阐明了硼砂在低温烧结过程中的双重作用机制：既作为助熔剂降低能耗，又通过形成ASGP实现重金属稳定化。所开发的SWB材料具有三大应用优势：机械强度满足雨水设施填料要求（损失率<2%）、对高浓度磷酸盐吸附效率达90%、全生命周期环境风险可控。这项成果为污泥资源化提供了低温节能新工艺，对推动"无废城市"建设具有重要实践价值。论文通讯作者熊家庆特别指出："ASGP的发现为设计新型环境功能材料提供了重要启示，未来可通过调控玻璃相组成进一步优化材料性能"。研究团队目前正与水务部门合作，开展SWB在人工湿地中的规模化应用示范。