《Waste Management》：Recovery of diverse solid wastes into porous materials via thermal processing: Review of melt structure, processing parameter, and application
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高温处理转化固废为多孔材料，其性能由基质熔融结构和气体生成过程共同决定，原料组成、热处理条件和添加剂是关键影响因素，研究聚焦资源回收与建筑应用。
作者：纪伟毅、周一帆、卢建新、Christopher Cheeseman、Poon Chi-Sun
香港理工大学土木与环境工程系，中国香港九龙红磡
摘要
通过热处理将多种固体废物转化为可持续的多孔材料是一种实用的废物回收方法，有助于减轻填埋场的负担。这些增值产品作为建筑用绝缘材料和轻质材料具有巨大潜力。这些基于废物的多孔材料（WBPM）的性能主要取决于热处理过程，特别是高温下的基体性质和气体释放过程。本文从原料组成、热处理条件以及添加剂的角度，探讨了影响基体熔融结构和气体的关键因素。特别分析了构成固体废物的主要氧化物成分对熔融结构和结晶过程的影响。文章总结了WBPM的传统和新型应用，为大规模高效利用固体废物制备增值多孔材料提供了重要信息。
引言
全球正面临极其严峻的固体废物处理问题，其中约33%的废物未能以安全环保的方式得到处理。随着人口和经济的增长，这一情况在未来将更加严重，尤其是在经济发展较弱的地区（Jiang等人，2019年；世界银行，2018年）。通过回收多种固体废物来生产增值产品，可以有效地减少填埋场的负担并促进自然资源的可持续发展（Zeng等人，2020年；Zheng等人，2020年）。高温处理因其适用于多种原材料且应用前景广泛，成为理想的解决方案之一（Li等人，2024b年；Mao等人，2023年）。多孔材料，如泡沫玻璃和泡沫玻璃陶瓷，具有低密度、优异的隔热性能、化学惰性、高强度重量比和防火性能，适用于多种应用（Ligabue等人，2022年；Liu等人，2023a年；Zhang等人，2022a年）。泡沫玻璃是通过将废玻璃粉与发泡剂及其他添加剂混合后，在高温下加热制成的（Assefi等人，2021年；K?nig等人，2020年）。最初，泡沫玻璃是用纯天然原料制成的（éidukyavichus等人，2004年）。随着越来越多地使用固体废物生产泡沫玻璃，逐渐发展出了泡沫玻璃陶瓷材料，这些材料通常含有特定的晶相（Deubener等人，2018年）。目前，大多数泡沫玻璃和泡沫玻璃陶瓷的生产都使用各种固体废物作为原料，前提是这些废物含有合适的成分（Ge等人，2025年；Hu等人，2024年；Siddika等人，2022年；Yatsenko等人，2024年）。本文将经过高温处理后形成多孔结构并同时具有玻璃相和晶相的泡沫玻璃、泡沫陶瓷等材料称为基于废物的多孔材料（WBPM），它们为解决与环境问题相关的固体废物管理提供了更多可能性。
WBPM的生产原理基于这样一个现象：固体废物中的多种矿物在高温下软化，形成具有一定流动性和粘度的液体。粘性的基体捕获了来自发泡剂或原材料本身的气体，具体过程详见第2节（Korat等人，2013年；Li等人，2020b年；Scarinci等人，2005年；Zhang等人，2024a年）。气泡在软化的基体内膨胀并积聚，从而实现气相和固相的共存，形成多孔结构（Chen等人，2024b年）。冷却过程中粘度增加，多孔结构得以保持（Chang等人，2024年）。基体内存在气泡使WBPM产品具有理想的性能。均匀分布的细小封闭孔隙有利于良好的隔热效果和优异的机械性能（Konig等人，2016年）。WBPM产品主要分为三类：i）碎石；ii）绝缘块或板材；iii）多孔珠粒/颗粒（Sommariva和Weinberger，2015年）。
WBPM的形成机制主要涉及高温下的相变和微观结构演变，这些因素最终决定了多孔材料的性能。然而，现有研究大多局限于宏观性能优化、工艺参数调整和废物掺入量的调整，对于微观机制的深入阐述尚显不足（Jiang等人，2019年；Li等人，2024b年；Suvorova和Makarov，2019年；Wang等人，2021年；Yao等人，2018年；Zhu等人，2021年）。这些不足源于实验技术的限制以及废物组成的固有变异性，阻碍了从经验优化向标准化设计框架的转变。特别是，对基于高温热力学原理的精确相控制和发泡过程的理解尚不充分，这阻碍了高质量多孔材料及其烧结工艺的精准配方。本文对原料成分进行了分解分析，从分子层面总结了原料成分对烧结过程中熔体微观性能的影响。通过对现有熔体-气体耦合优化研究的进展进行批判性评估，构建了一个将原料组成与微观结构、机制和性能联系起来的目标设计框架，从而将实验室规模的机理研究与工业应用相结合，为多孔材料的可持续设计和生产提供了理论支持。
通过Web of Science、Scopus和Google Scholar数据库进行了文献搜索。使用多种关键词组合检索相关文献。主要关键词包括固体废物、高温、烧结、轻质材料、废玻璃、飞灰、焚烧底灰、渣滓、尾矿、泡沫玻璃和泡沫玻璃陶瓷。排除了过去三十年中与废复合陶瓷烧结和未烧结固体废物应用无关的研究，仅选取了由固体废物烧结而成的多孔材料进行分析。这些研究内容涵盖了不同类型废物的研究、发泡剂的选择、加热过程以及多孔产品的应用。
泡沫过程概述及关键因素
WBPM的性能很大程度上取决于其孔结构，而孔结构又受到样品基体性质与生成气体之间相互作用的控制，如图1所示（Ji等人，2023年）。与发泡剂混合的原料在加热前通常会被压缩或造粒。然而，未烧结的原料颗粒与添加的发泡剂之间仍存在一定的间隙（图1a）（H. Li等人，2022年）。
原材料的分类及其影响
用于生产WBPM的原材料应含有SiO2、CaO、Al2O3等矿物，这些矿物在热处理过程中对形成玻璃相至关重要（Nanda和Berruti，2021年）。许多固体废物的熔点很高（超过1000°C），但在碱氧化物（Na2O和K2O）等助熔剂的帮助下可以在较低温度下软化。因此，废玻璃常与其他固体废物结合使用。
发泡剂的类型及其适用范围
目前最广泛使用的发泡方法是将原料与发泡剂混合并加热，生成的气体在目标温度下被软化的基体捕获，从而实现体积膨胀（Khamidulina等人，2017年）。根据气体生成机制，发泡剂可分为两类：热分解型和反应型。典型的热分解发泡剂包括碳酸盐和硫酸盐，它们在特定温度下分解。
加热环境的影响
隧道炉是WBPM生产设施中常用的加热方法。实验室通常使用马弗炉（Arcaro等人，2016年；Zhang等人，2020a年）。微波能量也可用于制造玻璃和陶瓷，具有加热速度快和环境清洁的优点（Flesoura等人，2021年；Kharissova等人，2010年）。样品可以从内部加热，从而形成外层致密、内部多孔的结构（Boccaccini等人）。
WBPM产品的应用
预计到2029年，WBPM市场规模将达到20亿美元以上，年增长率约为5%（Adroit Market Research，2023年）。由于经济增长推动建筑行业的发展，亚太地区的需求将最高（Mordor Intelligence，2022年）。随着节能建筑的普及，对WBPM产品的需求将持续增加（EMR，2020年）。以下将介绍WBPM的典型和新颖应用。
建议
2总结了与WBPM系统制造相关的关键参数，包括材料组成、工艺条件和性能指标。这份汇编对于希望优化设计策略、提升材料性能和促进废物资源高效利用的研究人员具有参考价值。
通过高温处理将固体废物转化为增值的WBPM是一种可行的方法，有助于解决固体废物问题。
结论与展望
本文综述了WBPM产品从原料制备、制造到应用的全过程。这可能是处理累积固体废物的有效方案。其性能很大程度上取决于孔结构，而孔结构受多种关键因素的影响，包括原料组成和热处理条件。目前的研究主要集中在定性分析和短期性能表征上。商业化的WBPM产品大多仅使用废玻璃作为原料。
作者贡献声明
纪伟毅：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法论构建、概念构思。
周一帆：撰写——审稿与编辑。
卢建新：撰写——审稿与编辑、监督、资金筹集。
Christopher Cheeseman：撰写——审稿与编辑。
Poon Chi-Sun：撰写——审稿与编辑、监督、资金筹集、概念构思。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或可能影响本文工作的个人关系。
致谢
衷心感谢陈子伟博士在本文审查工作中的宝贵帮助和专业知识。他的专业指导和深刻反馈极大地提升了本文的质量和清晰度。本研究得到了国家自然科学基金（编号：52308275）、香港理工大学与世界领先研究团队合作研究基金（SAC3）以及碳中和基金（WZ7M）的支持。
