《Materials Today Communications》：Synergistic Sintering of Red Mud, Fly Ash, and Chinese Herbal Medicine Residues into Sintered Ceramics: A Sustainable Design Combining Industrial and Agricultural Solid Waste
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工业与农业固废可协同替代部分陶瓷原料；提高固废含量可调控孔隙特性；增加赤泥含量会降低表面亮度并改变色相；四个配方在200小时紫外老化后色差（ΔE）仍保持在3.0以下；重金属浸出量低于国家监管限值。
工业与农业固废可协同替代部分陶瓷原料；提高固废含量可调控孔隙特性；增加赤泥含量会降低表面亮度并改变色相；四个配方在200小时紫外老化后色差（ΔE）仍保持在3.0以下；重金属浸出量低于国家监管限值。
**论文解读：基于赤泥、粉煤灰与中草药渣协同烧结的可持续陶瓷材料研究**
**一、研究背景与科学问题**
氧化铝工业作为全球基础产业，在产出高纯度氧化铝的同时产生了大量副产物赤泥，这是一种强碱性固体废弃物。据统计，中国赤泥历史堆存量已超过14亿吨，国际铝业协会估计2050年全球赤泥堆存量或达100亿吨。但目前中国赤泥综合利用率仍低于10%，其产生的碱性粉尘会造成严重的大气污染，不当处置还会损害土壤、地下水系统和海洋生态系统。与此同时，粉煤灰作为燃煤发电的典型工业固废，中国年产生量超过10亿吨，其大量堆积同样引发了严峻环境问题。此外，中草药渣（CMR）作为生物质废弃物，全国年产量达3000至7000万吨，其中仍含有纤维素、木质素、蛋白质及多种金属氧化物等可利用组分。传统炻器陶瓷的化学组成以SiO?和Al?O?为主体，并含有Na?O、K?O、CaO等助熔氧化物，而赤泥、粉煤灰在氧化物组成上与传统陶瓷原料高度重叠，具备作为部分原料替代物的化学基础。然而，现有研究多聚焦于单一固废在建材、水泥、瓷砖等领域的利用，关于多种固废协同替代陶瓷原料的系统研究仍较为有限。因此，本研究将工业固废（赤泥、粉煤灰）与农业/生物质固废（中草药渣）相结合，借鉴传统炻器配方化学组成，探索三种固废协同制备烧结陶瓷的可行性，以实现固废资源化、降低环境负荷并提升经济效益。
**二、研究内容与总体结论**
研究人员以传统炻器化学组成为参照，将赤泥（RM）、粉煤灰（FA）和中草药渣（CMR）作为部分陶瓷原料替代物引入配方，通过调整三种固废的掺入比例（固废总量20%~35%），部分替代石英、长石、高岭土等天然矿物原料，经传统手工成型后在1260℃电窑中烧结，制备了RFM-1至RFM-6六组炻器陶瓷样品。研究得出以下核心结论：①所有样品均属于以SiO?和Al?O?为主体的典型铝硅酸盐体系，当赤泥含量为10%~25%时，样品中稳定存在石英与拉长石的组合晶相；②固废比例显著调控孔隙特征，固废含量≤35%时二维孔隙面积分数稳定低于20%，≥40%时升至约40%~50%；③Fe?O?是影响宏观颜色的关键因素，赤泥含量超过10%时产生明显色差，5%~10%时呈现浅灰白与暖黄色调，15%~25%时亮度降低、颜色加深；④经200小时紫外加速老化后，四组样品总色差ΔE小于3.0，其中RFM-5的ΔE为0.82，低于人眼感知阈值；⑤所有样品11种重金属浸出浓度均低于GB 5085.3—2007标准限值，表明材料具备环境稳定性和应用安全性，在建筑、工程及艺术等领域具有潜在应用前景。
**三、关键技术方法**
研究人员采用了多种分析表征手段：利用X射线荧光光谱分析（XRF）测定六组坯体化学组成；利用X射线衍射（XRD）检测烧结样品的晶相种类与衍射峰特征；利用冷场发射扫描电子显微镜（SEM）结合能谱分析（EDS）观察样品断面微观形貌与元素面分布；利用热重-差示扫描量热法（TG-DSC）分析原料在30~1260℃范围内的热分解与相变行为；采用CIE L*a*b*色度系统结合分光光度计进行颜色测量与色差计算；采用UVA340荧光紫外灯进行200小时紫外加速老化试验；依据HJ/T 299—2007标准进行重金属浸出试验，并使用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）测定浸出液浓度。样本来源方面：赤泥（烧结法赤泥）取自河南远野新材料有限公司，粉煤灰（F类II级）取自烟台安达环保科技有限公司，中草药渣取自山西省吕梁市岚县中医医院煎药后废弃物。
**四、主要研究结果**
**（一）XRF化学组成分析**。六组样品的主要氧化物为SiO?、Al?O?、CaO、Fe?O?和K?O，SiO?含量均超过55wt%，呈现明显的硅铝骨架特征。随着赤泥掺量从5%增至25%，Fe?O?含量从约3.8wt%升至约7.6wt%，CaO含量从约5.3wt%升至约15.2wt%，表明赤泥是Fe和Ca的主要来源之一。氧化物组成差异显著影响样品烧后色调，Fe?O?被视为影响坯体总体色相的关键因素。
**（二）XRD物相分析**。六组样品的主要晶相包括石英（SiO?）、透辉石（CaMgSi?O?）和拉长石（(Ca,Na)(SiAl)?O?）。RFM-2因高岭土和粉煤灰含量最高，Al?O?和SiO?含量最高、Fe?O?含量最低，检测到石英与透辉石晶相，且是唯一呈现浅白色调的样品。其余五组样品（赤泥含量10%~25%）均含有石英与拉长石的混合晶相。石英衍射峰半高宽约0.25°~0.55°，拉长石约0.55°~0.68°，反映晶粒尺寸与微应变的差异。
**（三）SEM微观结构分析**。3000倍显微图像显示，RFM-2和RFM-3表面最为光滑致密、孔隙极少，这与两者较高的SiO?和Al?O?总含量一致，SiO?促进玻璃相形成并与Al?O?共同提升烧结致密度。RFM-5和RFM-6因SiO?含量最低、CaO含量最高，产生过量液相导致熔体黏度降低，气泡合并形成5~7μm的大孔隙。100倍宏观结构图像显示所有样品均呈多孔结构，RFM-2孔隙最少、结构连续均匀，RFM-5和RFM-6存在大量150~500μm的大孔。二维孔隙面积分数定量分析表明，RFM-2和RFM-3在各放大倍数下均低于20%，RFM-5和RFM-6约为40%~50%，RFM-1和RFM-4介于23%~44%之间。
**（四）TG-DSC热分析**。六组样品热失重趋势相似，呈三阶段特征：100~400℃轻微失重约0%~3%，归因于水分蒸发；400~700℃失重速率显著增大，与高岭石脱羟基和残碳燃烧有关，其中RFM-3、4、5失重率略高于其他组；700~1260℃失重基本停止，曲线趋于平缓。DSC曲线显示400℃出现明显放热峰，对应未燃碳的氧化或热分解；900~1260℃呈现吸热趋势，结合TG曲线在该阶段的平稳特征，表明吸热效应源于烧结过程中的高温相变。
**（五）CIE L*a*b*颜色分析**。六组样品L*值介于46.62~63.77，a*值介于-1.75~2.12（接近0，色调基本中性），b*值均为正值（8.27~11.97），整体呈黄色调倾向。RFM-2因赤泥含量最低（5%）、Fe?O?含量较低（3.799%），L*值最高（63.77），表面呈浅灰白色；RFM-1、4、5、6的L*值依次降低，a*值为负，呈现轻微绿调。以RFM-2为基准，色差ΔE随赤泥含量增加呈上升趋势：RFM-3为3.72（肉眼可辨），RFM-4为8.63，RFM-1、5、6均大于15，坯体颜色由浅灰白向深黄褐色转变。
**（六）UV老化试验**。200小时紫外老化后，RFM-1、2、5、6的总色差ΔE小于3.0（0.82~2.72），表明固废基陶瓷基体在紫外辐照下具有一定稳定性。RFM-5的ΔE为0.82，低于人眼感知阈值，抗紫外老化性能优异。初始亮度较高的RFM-3和RFM-4老化后L*值显著下降，表面变暗；初始亮度较低的RFM-1、5、6则保持稳定或略有升高。多数样品Δa*<0（绿调增强）、Δb*>0（黄调增强），推测紫外辐射使表面颜色向黄绿色调轻微偏移。
**（七）重金属浸出分析**。依据HJ/T 299—2007制备浸出液，采用ICP-MS测定，所有样品中Ba、Cu、Pb、Se、Zn、Ni、Ag、As、Cd、Cr、Be共11种重金属的浸出浓度均远低于GB 5085.3—2007标准限值，其中Cu（0.119~0.268mg/L）和Zn（0.065~0.245mg/L）浓度相对较高，可能与铜、锌矿物相在酸性条件下较易溶解有关；Pb、Se、Ag、As、Cd、Be浸出浓度均低于0.005mg/L。结果表明该批样品不具备浸出毒性特征。
**五、讨论与结论总结**
本研究通过将赤泥、粉煤灰和中草药渣三种不同类型固废协同引入陶瓷配方，实现了对传统炻器原料的部分替代，所制备的烧结陶瓷在物相组成、微观结构、颜色调控、抗紫外老化及环境安全性等方面均表现出良好的综合性能。重金属浸出试验结果进一步证实了固废经高温烧结后可有效固化重金属离子，降低了环境风险。研究人员在讨论中指出，本研究主要基于不同配方的实验结果开展相关性分析，各固废的具体作用机理可通过单因素实验或更系统的多变量实验设计进一步阐明；同时，尚未对样品的力学和物理性能（如抗弯强度、体积密度、吸水率）进行系统测试。未来研究可引入Rietveld精修等方法，对复杂多相陶瓷体系的物相组成与元素迁移机制进行更深入的分析。综上所述，该研究为工业与农业固废的协同高值化利用提供了实验依据和技术参考，符合循环经济理念，具有重要的环境效益与应用前景。
