迈向可持续陶瓷制造：葡萄牙的铝硅酸盐资源

《ChemEngineering》：Towards Sustainable Ceramic Manufacturing: Aluminosilicate Resources in Portugal

　　

工业原材料的可持续利用需要准确的表征和战略性采购。在葡萄牙，陶瓷行业在经济上具有重要意义，且严重依赖铝硅酸盐原材料，如长石、高岭土和粘土。本研究评估了十二个葡萄牙样本——四个长石、四个高岭土和四个粘土——这些样本采集自葡萄牙中部和北部主要陶瓷工业中心附近。目的是评估其工业适用性。表征领域包括化学和矿物学组成、粒度、比表面积、骨架密度、热行为、可塑性、颜色和熔融性。结果表明，长石表现出更大的组成变异性，特别是在碱含量方面，含锂样品显示出增强的助熔行为，而高岭土和粘土则呈现更均匀、富含高岭石的组成，具有适合陶瓷加工的一致热行为和可塑性。这些原材料来源靠近陶瓷生产中心，降低了运输成本和环境影响，支持可持续供应链。总体而言，研究结果表明，葡萄牙铝硅酸盐具有与陶瓷加工要求一致的性质，可作为进口原材料的本地替代品，减少对进口的依赖，同时提高国家陶瓷行业的可持续性、韧性和竞争力。未来的工作应侧重于陶瓷产品的配方和技术验证。

论文解读文章：
研究背景与问题：全球人口增长和生活质量提升导致对商品和服务的需求增加，给工业部门和自然资源消耗带来压力。地质资源有限，因此矿产资源的勘探、表征和高效管理对保障供应和促进可持续利用至关重要。在葡萄牙，陶瓷行业是主要出口部门，2022年出口额约10亿欧元，高度集中在沿海中部地区，占当年陶瓷出口总额的77.3%。陶瓷生产严重依赖铝硅酸盐（aluminosilicate）原材料，如长石（feldspar）、高岭土（kaolin）和粘土（clay）。然而，葡萄牙依赖进口原材料，导致供应链易受全球波动影响。因此，有必要系统表征本地资源，评估其作为可持续替代品的潜力，以减少运输成本、环境影响和进口依赖，增强国家陶瓷行业的可持续性、韧性和竞争力。
研究内容与结论：研究人员对12个葡萄牙铝硅酸盐样本（4个长石、4个高岭土、4个粘土）进行了系统表征，这些样本采集自葡萄牙中部和北部主要陶瓷工业中心附近的矿区。通过化学、矿物学、物理和热分析，评估其工业适用性。结果表明，长石组成变异性最大，尤其在碱含量方面，含锂样品表现出增强的助熔行为；高岭土和粘土组成更均匀，富含高岭石（kaolinite），具有一致的热行为和可塑性。这些本地资源靠近陶瓷生产中心，可降低运输成本和环境影响，支持可持续供应链。研究结论指出，葡萄牙铝硅酸盐具有与陶瓷加工要求一致的性质，可作为进口原材料的本地替代品，减少进口依赖，提升国家陶瓷行业的可持续性、韧性和竞争力。该论文发表在《ChemEngineering》期刊上。
关键技术与方法（不超过250字）：研究人员从葡萄牙中部和北部主要陶瓷工业中心附近采集了12个样本（4个长石、4个高岭土、4个粘土），代表现有矿区分布。主要技术方法包括：X射线荧光光谱（XRF）测定主要元素组成；电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）定量长石中的锂（Li）含量；傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析长石中锂相关相的结构特征；X射线衍射（XRD）鉴定矿物相；激光散射粒度分析仪测定粒度分布；氮气吸附BET法（Brunauer-Emmett-Teller）测定比表面积（SSA）；氦气比重计测定骨架密度；热重-差热分析（TG/DTA）研究热行为；Pfefferkorn法评估粘土可塑性；色度计（CIELAB色空间）分析烧后颜色；通过倾斜陶瓷支撑上的熔融流动评估长石熔融性。
研究结果：
化学组成：XRF分析显示，长石（F1–F4）富含SiO₂（70–75 wt.%）和Al₂O₃（8–17 wt.%），碱氧化物（Na₂O和K₂O）含量显著。Na₂O-K₂O-CaO三元图表明，F3和F4靠近Na₂O-K₂O线，碱含量高、钙含量低，有利于低温液相形成；F1中K₂O占优，F2、F3、F4中Na₂O占优。F3和F4含氟，与锂云母（lepidolite）相关。高岭土（K1–K4）组成相似，SiO₂ 53–56 wt.%，Al₂O₃ 30–31 wt.%，其他氧化物<7 wt.%，Fe₂O₃平均1.4 wt.%。粘土（C1–C4）组成与高岭土类似，但杂质（Fe₂O₃最高1.9 wt.%）和C4中碱土氧化物较高。烧失量（LOI）高岭土和粘土（10.0%和13.6%）高于长石（2.4%）。ICP-OES确认F3和F4含锂约0.32 wt.%，F1和F2低于0.01 wt.%。
矿物学组成：XRD显示长石含石英、微斜长石（microcline）、白云母（muscovite）、钠长石（albite）和正长石（orthoclase），F1中钠长石峰减少，F3中白云母峰更强。高岭土以高岭石为主，伴少量白云母（与K₂O含量一致）。粘土以高岭石为主，石英为次要相，K1、K4、C3、C4中高岭石峰强度降低。
粒度分布：研磨至45 μm后，D₉₀均低于45 μm，但D₁₀₀显示部分粗颗粒，可能与不规则形态有关。粘土测量值与文献中平均2 μm不符，可能因细颗粒部分团聚。
比表面积（SSA）和骨架密度：长石SSA 2.6–4.0 m²/g，高岭土15–31 m²/g，粘土21–43 m²/g，均在文献范围内。密度平均值2.68 ± 0.06 g/cm³，与陶瓷工业常用参考值2.6 g/cm³一致。
热行为：DTA曲线显示，长石在120 °C（脱水）和578 °C（α-β石英转变）有共同吸热峰。F3在700–900 °C出现白云母脱羟基吸热峰，伴随2.4%质量损失；F1在865 °C出现碳酸钙分解吸热峰（0.4%质量损失），与CaO含量和FTIR检测的碳酸盐峰一致。高岭土在86 °C（脱水）、528 °C（高岭石脱羟基为偏高岭石，质量损失约6%）和996 °C（莫来石结晶）有特征峰。粘土热行为与高岭土类似，除C4质量损失较低（约7%）外，其余粘土质量损失11–13%。
可塑性：Pfefferkorn指数显示粘土C1（35.7%）和C3（35.6%）需更高含水量达到标准变形，塑性更强；C2和C4指数较低，塑性较弱。回归线斜率支持这一趋势，可塑性排序为C1 > C3 > C2 > C4。
颜色：烧后长石颜色差异显著，F1和F2更暗（L*较低），可能与Fe₂O₃+TiO₂含量更高（0.4–0.5 wt.%）及铁氧化态有关。高岭土L*较高（83.11–92.01），呈黄至白色，K2最亮。粘土颜色较浅，呈浅棕或奶油色，C4略暗。
熔融性：熔融测试显示F2、F3、F4熔融性高于F1，F3最强。F1中K₂O含量高，而F2、F3、F4中Na₂O含量高，且F3和F4含锂和氟，增强了助熔效果。
与国际比较：葡萄牙长石组成接近巴西长石，具有可靠的助熔行为和低铁诱导着色；高岭土介于西班牙/土耳其与巴西高纯样品之间，含白云母可能影响脱羟基和烧结；粘土铁含量低于西班牙和意大利粘土，颜色更浅，有利于技术陶瓷应用。
总结讨论与结论翻译：
讨论部分指出，葡萄牙陶瓷行业仍易受全球供应链波动影响，因依赖进口原材料。本研究通过系统表征，显示葡萄牙铝硅酸盐资源具有替代进口的潜力，但含白云母的高岭土和某些长石的碱平衡可能需要有针对性的加工或配方调整（如混合、选矿或助熔补偿），以在高端应用中完全匹配基准进口原料的性能。这些结论与观察到的相行为和烧成行为一致，为工业整合和进一步优化提供了清晰路线图。
结论部分翻译：葡萄牙陶瓷行业仍易受全球供应链波动影响，因其依赖进口原材料。本研究系统表征了12个葡萄牙铝硅酸盐原材料——四个长石、四个高岭土和四个粘土——来自主要陶瓷生产中心附近的矿床，通过化学、矿物学、物理和热分析评估其陶瓷应用适用性。长石表现出最大的组成变异性，尤其在碱含量方面；F2、F3、F4比F1具有更高的Na₂O含量，表明更强的助熔潜力。F3和F4中检测到的锂和氟进一步增强了熔融性。矿物学分析确认了钠长石、微斜长石和正长石的存在，石英和少量白云母为次要相。高岭土和粘土组成相对均匀，以高岭石为主。其热行为遵循典型转变，包括脱羟基为偏高岭石和莫来石形成。粘土表现出适合陶瓷加工的可塑性值，尽管Pfefferkorn指数差异表明含水量和可加工性差异。总体而言，结果支持葡萄牙铝硅酸盐资源作为进口原材料本地替代品的潜力，有助于更可持续和更具韧性的陶瓷供应链。未来工作应侧重于这些原材料在配方陶瓷产品中的技术验证。