《Journal of Cleaner Production》：Cleaner production of ceramic fracturing proppants from bauxite tailings and oil-based drilling cuttings: process optimization, resource substitution and hazardous-element risk reduction
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•通过工艺优化，找到了固体废物用量、烧结强度、莫来石形成以及支撑剂性能之间的平衡。•莫来石结晶、瞬态堇青石溶解以及玻璃相辅助的致密化过程将资源替代与机械可靠性联系了起来。•标准浸出法、pH值依赖的浸出法、BCR/RAC和OPTI方法量化了烧结后Na、As、Mn、Ni和Sb迁移风险
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通过工艺优化，找到了固体废物用量、烧结强度、莫来石形成以及支撑剂性能之间的平衡。
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莫来石结晶、瞬态堇青石溶解以及玻璃相辅助的致密化过程将资源替代与机械可靠性联系了起来。
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标准浸出法、pH值依赖的浸出法、BCR/RAC和OPTI方法量化了烧结后Na、As、Mn、Ni和Sb迁移风险的有效降低。
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通过废物整合、原材料替代、产品性能以及剩余环境风险边界，评估了更清洁生产的可能性。
引言
工业固体废物的更清洁生产不仅取决于残留物是否可以再利用，还取决于再利用方式是否能够防止二次污染、替代初级资源，并生产出具有可验证工程价值的产品（Guo等人，2024a；Abdul-Wahab等人，2020；Peng等人，2024）。基于油的钻屑（OBDC）是在非常规石油和天然气钻探过程中产生的典型含油有害废物。它们含有丰富的石英、粘土矿物、碳酸盐和金属氧化物，但残留的矿物油、石油烃、多环芳烃、盐类和微量有害元素限制了其直接利用（Abdul-Wahab等人，2020；Yu等人，2025；Zhao等人，2025a；Liuyang等人，2020；Yang等人，2020；Duan等人，2024；Chang等人，2024；Jagwani等人，2011；Xu等人，2016；Li等人，2022；Liu等人，2023a；Deming和Chaoqiang，2021；Lai等人，2020）。在铝土矿选矿和铝工业链过程中产生的铝土矿尾矿（BT）数量庞大，可通过粉尘扩散、降雨淋溶和径流影响周围土壤和水体环境（Peng等人，2024；Pilla等人，2025；Agrawal和Dhawan，2021）。同时，BT富含Al2O3、SiO2和铝硅酸盐矿物，这些成分可以参与高温相变，形成莫来石、硅线石或玻璃质铝硅酸盐等陶瓷相（Zhou等人，2013）。因此，更清洁生产的挑战在于将这些废物从堆积、低价值填充或单一用途的解毒处理转变为同时提高矿物价值和环境安全的方法。
为了实现这一目标，OBDC和BT在成分上具有互补性。经过热处理的OBDC可以提供含有Fe/Mg/Na/Ca的熔剂和相调控成分的硅质框架，而BT则提供了Si–Al反应所需的铝和铝硅酸盐成分。陶瓷压裂支撑剂是一种合适的高价值目标产品，因为它们的性能取决于铝硅酸盐骨架、可控的密度、抗酸性和在闭合压力下的抗破碎性（Hou等人，2025；Ramlan等人，2021；Chen等人，2025；Zhang等人，2021a；Thomas等人，2019）。根据中国石油和天然气行业标准SY/T 5108-2014，国内7.5K级别的支撑剂在52 MPa压力下的最大破碎率为9%，且陶瓷支撑剂的酸溶性限制在7%以内。以往的OBDC/ODPR支撑剂制备方法通常将残留物与铝土矿、商业添加剂或粘合剂结合使用（Chen等人，2025；Zhang等人，2025a；Zhu等人，2026；Yang等人，2024）。在本研究中，OBDC和BT构成了完整的矿物前体，水辅助造粒利用了BT的自身粘土塑性，无需外部粘合剂，从而将初级矿物替代与定量工程性能和环境风险降低联系了起来。
通过互补的提取方法和固相分析评估了固体废物衍生支撑剂的环境安全性。中国的固体废物提取标准HJ 557-2010和HJ/T 299-2007提供了可重复的浸出液，以便与《饮用水质量标准》（GB 5749-2022，中国）进行比较（Zhao等人，2025b, 2025c, 2025d；Zhang等人，2021b）。pH值依赖的浸出法可以识别酸性和碱性条件下的释放情况（Król等人，2020），而社区参考局（BCR）的顺序提取方法和风险评估代码（RAC）可以量化操作定义各组分之间的重新分布（Li等人，2025a）。整体潜在毒性指数（OPTI）整合了多元素浸出响应（Li等人，2015）。类似的液相和固相评估方法已用于支持飞灰熔化、焚烧底灰固化和玻璃化废物的风险评估（Zhao等人，2024a, 2024b）；在这里，这些方法直接应用于陶瓷支撑剂的工艺设计。
在本研究中，使用OBDC和BT作为两种固体废物前体，开发了一种更清洁的陶瓷压裂支撑剂生产工艺。具体目标是：（i）明确这两种残留物共烧结的成分和热基础；（ii）利用Box–Behnken设计–响应面方法（BBD–RSM）优化OBDC用量、烧结温度和烧结时间；（iii）通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和基于ImageJ的晶体尺寸统计分析揭示相–微观结构–性能关系；（iv）结合两种标准提取方法、pH值依赖的浸出法、BCR/RAC、OPTI、SEM–能量色散X射线光谱（EDS）/成像、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子光谱（XPS）量化环境风险的降低。核心假设是，合适的莫来石–玻璃–孔隙结构可以在一个加工过程中同时实现资源替代、支撑剂可靠性和元素特异性固定。
章节片段
材料与原材料表征
本研究使用的OBDC来自中国新疆克拉玛依的一个油田作业区，BT则来自河南省。分析级别的硝酸、硫酸、氢氟酸、盐酸和氢氧化钾从Aladdin Reagent Co. Ltd.（上海）购买，用于浸出测试、pH值调节和酸溶性测量。
BT和OBDC的主要化学成分列在表1中。表中测定了 bulk 氧化物的含量。
原材料可行性与热转化基础
OBDC和BT之间的成分互补性为制备基于固体废物的陶瓷支撑剂奠定了基础。XRD（图1a）确定的矿物组合表明，OBDC提供了富含硅的骨架、含有Ca/Mg/Fe?的相调控成分以及少量的碱熔剂，而BT提供了富含Al?和Al–Si的活性成分。它们的结合形成了有利于莫来石和铝硅酸盐共同形成的多组分Al2O3–SiO2–CaO–Fe2O–MgO–Na2O–K2O体系。
结论
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OBDC和BT在陶瓷支撑剂的更清洁生产中表现出强烈的成分互补性。OBDC提供了富含硅的骨架和Fe/Na/Mg/Ca等液相调控成分，而BT提供了富含Al和Al–Si的活性成分。除水和研磨介质外，优化产品的矿物前体完全来源于这两种固体废物，为用有害油田残留物替代天然铝硅酸盐原料提供了途径。
CRediT作者贡献声明
Yuhao Peng: 负责初稿撰写、项目管理、调查、数据分析、概念化。Junhao Fu: 负责初稿撰写、验证、方法设计、数据分析、概念化。Zhengbo Li: 负责审稿与编辑、初稿撰写、方法设计、调查、概念化。Haiyi Yang: 负责审稿与编辑、软件开发、项目管理、方法设计、数据分析。Lujun Liu: 负责可视化展示、调查、概念化。Hongda Ren:
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（编号：52360003）和新疆省天山人才基金（编号：2023TSYCJC0065）的财政支持。
Yuhao Peng|Junhao Fu|Zhengbo Li|Haiyi Yang|Lujun Liu|Hongda Ren|Junwei Hou
