综述：基于固体废弃物的多孔玻璃陶瓷的孔隙结构演变、重金属固化机理及功能应用：综述

《Journal of the European Ceramic Society》：Pore structure evolution, heavy-metal solidification mechanisms, and functional applications of solid waste-based porous glass-ceramics: a review

　　

摘要

工业固体废物的堆积制约了可持续发展。将这些废物转化为高值多孔玻璃陶瓷为废物减量和资源化提供了一条途径。本综述考察了孔隙结构演变、重金属固化机制和功能应用。孔隙演变讨论了与原料特性、气体生成、熔体粘度、粘性流动和结晶的关系。尽管这些因素在各系统中反复出现，但它们的贡献随废物成分、非晶含量、氧化还原条件、发泡剂和热历史而变化。通过残余玻璃的物理封装、玻璃网络内的化学键合以及进入晶相，分析重金属的保留，同时考虑竞争性相分配和短期浸出试验的局限性。应用通过材料范围、证据、服务要求和技术成熟度进行评估，并将生物医学和航空航天相关方向与已证明的用途区分开来。本综述区分了广泛一致的发现与系统依赖行为，并强调原料控制、时间分辨过程分析、长期测试和放大作为优先事项。

引言

全球工业化的快速扩张导致工业固体废物产量不断增加，这严重危及生态环境 [1], [2]。在此过程中，粉煤灰和冶金渣等工业副产品正呈指数级积累 [3]。通过填埋处置此类固体废物不仅占用大量土地资源，还会导致重金属不可逆地迁移到生物圈 [4], [5]。根据中国生态环境部发布的数据（图 1），尽管中国固体废物的综合利用不断改进，但由于废物产生量巨大，资源利用能力与废物处置需求之间仍存在显著的不平衡 [6]。根据初步核算，2024 年全国一般工业固体废物产生量为 44.7 亿吨，综合利用量为 26.5 亿吨，处置量为 17.75 亿吨。多年来积累的存量和增量双重压力表明，以路基填筑为代表的低附加值利用模式已难以满足减量化和高值化的需求，无法有效缓解环境负荷 [7], [8]。因此，在碳中和目标下，迫切需要利用废物的化学成分，将其转化为高值功能材料，拓展固体废物资源化利用的途径 [9], [10]。

严格意义上讲，玻璃陶瓷是由预先存在的均匀玻璃受控结晶产生的无机材料 [11], [12]。因此，通常需要玻璃形成阶段，随后进行热处理或烧结结晶，以获得由残余玻璃和晶相组成的半晶态微观结构 [13]。在本综述中，基于固体废物的多孔玻璃陶瓷是指固体废物提供成玻组分或废物衍生玻璃相的多孔材料，并且在热处理过程中发生粘性流动、孔隙形成和结晶。这一定义包括源自熔体的多孔玻璃陶瓷和由富玻璃或成玻固体废物混合物制备的烧结结晶多孔玻璃陶瓷。缺乏可区分玻璃基体或受控结晶过程的材料被视为相关多孔陶瓷，仅在它们为加工、孔隙调节或应用评估提供有用比较时才进行讨论。

在此范围内，将多源固体废物转化为多孔玻璃陶瓷代表了一条将低值处置升级为高值资源化利用的有前景的途径 [14]。该技术路线利用了玻璃基体的化学灵活性和晶相的增强效应 [15]。在固体废物衍生系统中，特定组分可进一步促进孔隙形成和结晶，例如赤泥中含铁相的成核作用和煤气化渣中残余碳的发泡作用 [16], [17]。这些特征有助于平衡固体废物的低成本利用与具有潜在隔热性能的轻质多孔材料的制备 [18], [19]。

然而，从实验室到工业应用的过渡仍然极具挑战性。核心难点在于理解原料变异性和热历史如何改变气体释放、熔体粘度、粘性流动和结晶，以及为什么这些耦合过程在不同材料系统中产生不同的孔隙结构 [20], [21]。此外，阐明重金属在残余玻璃相、晶相、次生含重金属相和挥发分之间的分配对于评估其环境性能至关重要 [22], [23]，而新兴功能应用必须通过区分实验室规模的原理验证结果与已证明的工程用途来评估 [24], [25]。这些未解决的问题需要跨系统比较，以区分广泛支持的趋势与特定成分和过程的观察结果。

鉴于此，本综述旨在批判性地比较和综合报告的证据，关于基于固体废物的多孔玻璃陶瓷的固体废物特性、制备路线、孔隙结构演变、重金属固化机制和功能应用。它重点关注基于固体废物的多孔玻璃陶瓷的主要制备路线，比较不同固体废物的矿物学作用和相容性，并批判性地考察发泡与结晶之间的耦合以及残余玻璃和晶相在相演化过程中对重金属固化的各自贡献。本综述不将个别案例研究的观察结果视为普遍适用，而是识别跨系统共识，解释由成分和处理差异引起的不一致之处，并区分直接证明的行为与推断的机制和潜在应用。此外，根据材料范围、可用证据、技术成熟度和实际限制，对传统和新兴功能应用进行批判性评估，旨在为固体废物的高效、低碳和高值利用提供批判性依据。

章节片段

固体废物原料系统

将成分复杂、来源广泛的工业固体废物转化为高性能多孔玻璃陶瓷的核心挑战在于克服原料成分的波动并建立稳定的硅酸盐网络结构 [26], [27]。在本综述中，根据固体废物在成玻、网络修饰、结晶和孔隙形成中的主要作用进行讨论，如表 1 所示。基于其主要的氧化物网络作用和功能性

孔隙形成机制与孔隙结构

多孔玻璃陶瓷的性能不仅由原料决定，还与高温熔体中气体释放、熔体粘度、粘性流动和结晶的动态演变密切相关 [86]。从物理化学的基本逻辑出发，本章讨论了气泡形核和生长的条件，以及熔体流变演变与微晶相沉淀之间的耦合关系，旨在提供一般性

重金属固化

工业固体废物，特别是垃圾焚烧飞灰 [99]、电镀污泥 [100] 和有色金属冶炼渣 [101]，往往富含 Pb、Cr、Zn 和 Cd 等重金属。因此，环境稳定性是其资源化利用的前提。与传统基于水泥的固化相比，多孔玻璃陶瓷可能通过高温反应、成玻和结晶提供更稳定的重金属保留。在基于固体废物的

基于固体废物的多孔玻璃陶瓷的应用

基于固体废物的多孔玻璃陶瓷，由于其低密度、可调节的孔隙率和理化稳定性，已被研究用于传统和新兴功能应用 [120]。如图 9 所示，催化剂载体、过滤和吸附以及电磁波衰减被视为新兴应用，而生物医学和航空航天相关用途仅被识别为前瞻性方向，因为基于固体废物的系统的直接证据

批判性综合

通过多孔玻璃陶瓷生产对多种固体废物流进行高值化利用，为资源回收和环境风险降低提供了一条潜在途径。通过批判性地比较和综合不同材料系统和制备路线中报告的物理化学演变，本综述识别了共同的控制因素和系统依赖机制。在报告的系统跨中，气体生成、粘性流动和结晶始终被识别为

未引用参考文献

[128], [130]

CRediT 作者贡献声明

李永涛：资源，调查。夏寒：方法论，数据管理。车月：监督，形式分析，数据管理。王东雪：形式分析，数据管理。栾建：写作 - 审查与编辑，调查。张学坚：监督。肖爱伟：形式分析，数据管理。魏存地：监督。肖立光：监督。王林：形式分析，数据管理。于新：写作 - 审查与编辑，写作 - 原稿，方法论，调查，形式

竞争利益声明

作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文中报告的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（批准号：52402006）和吉林省科学技术厅（20260601025RC）的支持。

竞争利益声明

在本工作的准备过程中，作者使用了 Gemini (Google) 和豆包 (字节跳动) 进行学术表达润色。作者根据需要审查和编辑了输出内容，并对发表文章的内容承担全部责任。

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中国长春市 130018，吉林建筑大学材料科学与工程学院