二次铝渣在制备高孔隙率、高强度泡沫陶瓷中的增值利用

《Environmental Research》：Value-Added Utilization of Secondary Aluminum Dross in Fabricating High-Porosity and High-Strength Foam Ceramics

本研究采用颗粒稳定泡沫法，无需预处理地将次生铝渣（SAD）部分替代商用Al?O?制备泡沫陶瓷，优化SAD含量（24.35 wt%）、固体含量（21.81 wt%）和纳米Al?O?添加量（15.2 wt%）后，获得孔隙率92.64%、抗压强度2.28 MPa的材料，突破传统泡沫陶瓷孔隙率与抗压强度负相关限制，为SAD高值化利用提供工程方法。

　　

詹詹|荆后|齐音|董胜申|胡慧珍|余阳龙

环境科学与工程学院，浙江省固体废物处理与回收重点实验室，浙江省有色金属废物回收工程技术研究中心，浙江工商大学，杭州310012，中国

摘要

二次铝渣（SAD）是铝生产和回收过程中产生的危险废物，通过传统的填埋方式处理会带来严重的环境风险。然而，它富含铝资源。为了合理利用SAD中的铝资源，本研究提出了一种无需预处理即可用SAD部分替代商用Al₂O₃来制备泡沫陶瓷的方法，该方法采用了颗粒稳定的发泡技术。研究了SAD添加量、固含量以及纳米级Al₂O₃添加量对样品孔隙率和抗压强度的影响，并分析了原料比例对材料性能的协同调控机制。优化后的条件为：SAD添加量24.35 wt%，固含量21.81 wt%，纳米级Al₂O₃添加量15.2 wt%，所得泡沫陶瓷的孔隙率为92.64%，抗压强度为2.28 MPa。扫描电子显微镜（SEM）结果显示，该材料具有大孔（39.34 μm）和小孔（3.73 μm）的多尺度孔结构，有效提高了其抗压强度。本研究克服了泡沫陶瓷中孔隙率与抗压强度通常呈现的负相关关系，为SAD的高值利用提供了一种工程化方法。

引言

二次铝渣（SAD）是铝生产和回收过程中的危险副产品，主要由金属铝、氧化铝（Al₂O₃）、氮化铝（AlN）等成分组成，其中氧化铝通常占30–60%（Lv等人，2022年）。开发高效、低环境影响的SAD增值技术对于减少环境危害、降低对初级资源的依赖以及促进铝工业的可持续发展至关重要。目前的SAD利用途径包括湿法冶金和火法冶金方法。在火法冶金过程中，煅烧将AlN转化为Al₂O₃和N₂，从而防止AlN水解产生氨气，并有助于去除氟和氯等有害卤素杂质，实现废物的同时解毒和资源回收。许多研究已经证明了SAD通过火法冶金可以得到有效利用。例如，有些研究使用SAD完全替代铝土矿来生产陶瓷支撑剂（Yang等人，2024年）；另一些研究则将SAD作为发泡剂，通过高温煅烧制备了轻质泡沫水泥基电磁波吸收材料（Wu等人，2024年）。总体而言，火法冶金途径已成熟，并支持多种应用，特别是在建筑材料领域。

在各种材料中，泡沫陶瓷由于具有低导热性、轻质、高强度、大比表面积和高孔隙率等特点，在隔热、隔音、吸附等领域具有极其广泛的应用前景（Ostergaard等人，2018年；Rincón等人，2018年）。例如，一些研究提出了一种使用自发泡填充材料的方法，解决了大井和井口应用中填充效率低和性能不足的问题，为自发泡材料在挖掘井填充项目中的应用提供了理论支持和科学指导（Tang等人，2024年）；同时，还有研究用工业固体废物粉煤灰部分替代水泥，制备了适用于基础工程的环保且实用的轻质填充材料（Zhang等人，2023年）。此外，相关研究中用粉砂制备的泡沫混凝土在冻融循环试验、水稳定性试验和干缩试验中表现出优异的稳定性和耐久性，完全满足道路工程的施工要求（Wu等人，2021年）。因此，泡沫材料已在工程领域得到广泛应用。作为泡沫材料的一种，泡沫陶瓷因其优异的机械性能而在实际应用中受到青睐。鉴于二次铝渣（SAD）富含铝资源，且是制备铝基泡沫陶瓷的理想原料，利用SAD制备泡沫陶瓷有望在无害处理过程中充分发挥其工艺优势，实现高值转化。近期研究探索了基于SAD的泡沫陶瓷：已有研究使用SAD和生石灰作为原料制备了孔隙率为79.6%的泡沫陶瓷，这些材料具有吸附潜力（Liu等人，2023年）；另一些研究者报告称，当SAD与各种尾矿混合时，制备的泡沫陶瓷孔隙率可达到83.3%（Liu等人，2025年）。然而，采用颗粒稳定发泡法制备泡沫陶瓷时（Huo等人，2016年），通常需要对SAD进行高温煅烧处理以减轻杂质和残留AlN的影响——例如，将SAD和废玻璃共煅烧3小时，得到孔隙率为76.9%的泡沫陶瓷（Liu等人，2022年）。这种耗能高的预处理方法限制了其可扩展性和实际应用，因此亟需更简单、能耗更低的转化工艺。

因此，本研究利用SAD中的铝含量，通过颗粒稳定的发泡工艺制备了孔隙率高、抗压强度满意的泡沫陶瓷，且无需高温煅烧预处理。该方法旨在降低能耗，同时实现SAD的高值转化，并为其资源利用提供新的见解。

材料

本研究使用的SAD来自中国浙江省的一家铝铸造厂，呈灰黑色细颗粒状，粒径为0.15-0.5mm。主要含铝相为Al₂O₃（27.13%）、AlN（37.56%）和金属铝（5.14%）。元素组成如下：Al 43.05%，O 32.70%，Mg 4.30%，Cl 4.03%，Fe 0.92%。实验中使用了商用微米级Al₂O₃（A800193，D50 = 50 μm）和纳米级Al₂O₃（A800207，D50 = 150 nm）。

基于铝的原料比例对泡沫陶瓷性能的影响

研究了三个关键变量——SAD添加量、固含量和纳米级Al₂O₃添加量——对样品孔隙率和抗压强度的影响（图3）。图3(a)显示，随着SAD添加量的增加，抗压强度先上升至25 wt% SAD时的2.31 MPa（孔隙率92.34%），随后在更高SAD添加量下下降。未添加SAD的样品孔隙率为93.67%，而在15 wt% SAD时孔隙率降至最低90.95%。低SAD添加量下孔隙率最初降低可能反映了...

结论

采用颗粒稳定发泡法利用未经处理的SAD制备了铝基泡沫陶瓷。通过优化SAD含量、固含量和纳米级Al₂O₃含量，所得陶瓷兼具高孔隙率和良好的抗压强度。优化后的配方为：SAD添加量24.35 wt%，固含量21.81 wt%，纳米级Al₂O₃添加量15.2 wt%，制备出的泡沫陶瓷孔隙率为92.64%，抗压强度为2.28 MPa。微观结构和相分析表明，SAD的加入改善了孔壁...

作者贡献声明

余阳龙：撰写 – 审稿与编辑、验证、资源提供、项目管理、方法论制定、资金筹集、概念构思。胡慧珍：撰写 – 审稿与编辑、资源提供、概念构思。董胜申：撰写 – 审稿与编辑、实验研究。齐音：监督、资源提供、项目管理、方法论制定、资金筹集。荆后：撰写 – 审稿与编辑、实验研究。詹詹：撰写 – 初稿撰写、方法论制定。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。