在邁向碳中和與循環(huán)經(jīng)濟的時代，工業(yè)固體廢棄物的高效利用與資源化已成為全球性課題。其中，石墨尾礦作為石墨開采和選礦過程中的主要副產(chǎn)品，其處理問題尤為突出。中國作為全球主要的石墨生產(chǎn)國，年產(chǎn)鱗片石墨約50萬噸，而石墨尾礦的排放量卻高達每年600萬噸以上，歷史堆存量已近億噸。這些尾礦不僅占用大量土地，在風力作用下易形成揚塵污染空氣，其殘留的化學處理劑還可能隨徑流污染水體和土壤，對生態(tài)環(huán)境構(gòu)成嚴重威脅。如何將這些“放錯位置的資源”變廢為寶，實現(xiàn)高值與可持續(xù)利用，是當前礦業(yè)和材料領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問題。

面對這一挑戰(zhàn)，研究人員不再滿足于將石墨尾礦僅用作混凝土骨料或燒結(jié)普通磚等低附加值產(chǎn)品。他們獨辟蹊徑，將目光投向了高性能耐火材料領(lǐng)域。耐火磚因其高耐火度、優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性和抗熱震性，被廣泛應用于冶金、化工和電力等行業(yè)的高溫爐窯中。傳統(tǒng)的耐火磚生產(chǎn)依賴高嶺土、鋁礬土等天然礦物資源，開采和加工過程伴隨著高能耗與環(huán)境負擔。因此，來自東北林業(yè)大學奧林學院的劉依儒、楊元慧、李慶浩、吳梓韜、王寶龍、李雙欣和張子輝等研究者提出了一項創(chuàng)新方案：以石墨尾礦為主要原料（占比高達70%），輔以鋁礬土，制備出一種新型高性能耐火磚，旨在同時解決尾礦堆積的環(huán)保難題和傳統(tǒng)耐火材料的資源依賴問題。相關(guān)研究成果發(fā)表在《Case Studies in Construction Materials》期刊上。

為驗證這一設想的可行性，研究人員開展了一系列系統(tǒng)性的實驗。他們首先對來自黑龍江省雞西市柳毛石墨礦的石墨尾礦進行了全面的物理化學性質(zhì)表征，包括X射線熒光光譜（XRF）分析其化學成分、篩分分析其粒度分布、X射線衍射（XRD）確定礦物相組成，以及掃描電子顯微鏡（SEM）觀察其微觀形貌。基于表征結(jié)果，他們確定了關(guān)鍵工藝：將石墨尾礦粉磨至所需細度后，與鋁礬土粉按不同質(zhì)量比（8：2、7：3、6：4）混合，加水攪拌成型為生坯。通過對比生坯密度和強度，最終優(yōu)選出石墨尾礦與鋁礬土比例為7：3的最佳配方。接下來，基于熱重分析數(shù)據(jù)制定了先預熱（至800°C）后燒結(jié)的兩階段熱處理工藝，最高燒結(jié)溫度設定為1400°C。最后，對燒結(jié)后的耐火磚樣品進行了一系列性能測試與表征，包括使用XRD和SEM結(jié)合能譜分析（EDS）研究其相組成與微觀結(jié)構(gòu)演化，測試其常溫抗壓與抗折強度、顯氣孔率、荷重軟化溫度、熱容及熱膨脹系數(shù)，并對其進行了經(jīng)濟成本核算和基于ISO 14040標準的全生命周期評估。

對在1400°C下燒結(jié)的新型耐火磚進行測試，結(jié)果顯示其平均抗壓強度為78.27 MPa，平均抗折強度為13.6 MPa，平均顯氣孔率為12.5%。這些性能參數(shù)均滿足中國國家標準GB/T 34188-2017對粘土質(zhì)耐火磚（PN-30等級）的要求。

荷重軟化溫度（0.2 MPa）測試的平均起始變形溫度為1428°C，且在1300°C保溫2小時后，其永久線變化小于0.1%。這些結(jié)果同樣符合GB/T 34188-2017標準。

通過XRD對不同燒結(jié)溫度下樣品的物相分析表明，新型耐火磚的主要晶相包括石英、剛玉和莫來石。隨著燒結(jié)溫度的升高，微斜長石和斜長石逐漸向玻璃相和鈣長石轉(zhuǎn)變。在1300-1400°C范圍內(nèi)，大量莫來石相生成。莫來石具有均勻的熱膨脹性、優(yōu)異的抗熱震性、高荷重軟化點等特性，其大量形成是材料獲得高熱穩(wěn)定性的關(guān)鍵。

SEM-EDS分析證實了莫來石晶體的形成。在高溫燒結(jié)過程中，部分剛玉和石英熔融形成液相，氧化鋁和氧化硅通過共晶反應生成莫來石。莫來石晶體呈細長的柱狀或針狀，與殘余的石英、剛玉和鈣長石顆粒結(jié)合，形成了連續(xù)的、高度結(jié)晶的骨架網(wǎng)絡。同時，高溫下形成的玻璃相覆蓋在樣品表面，有效填充了顆粒間的空隙和孔洞，構(gòu)成了“晶質(zhì)骨架-玻璃基體”復合結(jié)構(gòu)。樣品中存在的孔隙（多在30-50微米）被認為是生坯內(nèi)部氣體未能完全排出所致，孔隙率與抗壓強度呈負相關(guān)。

新型耐火磚的熱容在約400°C時達到峰值（約1 J·g^-1·°C^-1），顯示出良好的儲熱能力。其熱膨脹系數(shù)在測試溫度范圍內(nèi)保持較低水平，并隨溫度升高而平緩增加。結(jié)合物相與微觀結(jié)構(gòu)分析，更高的燒結(jié)溫度促進了顯微結(jié)構(gòu)的致密化，從而提高了儲熱能力和熱穩(wěn)定性。

基于2024-2025年黑龍江省哈爾濱市的市場價格進行成本估算，生產(chǎn)一塊新型耐火磚（石墨尾礦占比70%）的單價約為2.8元人民幣（約合0.38美元）。市場調(diào)研顯示，傳統(tǒng)粘土耐火磚的價格通常在1.8至5.4元人民幣之間。統(tǒng)計分析表明，新產(chǎn)品的單位成本低于市場上約60%的傳統(tǒng)耐火磚，具有顯著的成本優(yōu)勢。

基于“從搖籃到大門”的系統(tǒng)邊界，對新型耐火磚與傳統(tǒng)耐火磚進行了生命周期評估。結(jié)果顯示，在主要環(huán)境影響類別中，新型耐火磚表現(xiàn)更優(yōu)：礦物資源消耗降低了70.0%（從3.100 kg礦石當量降至0.930 kg礦石當量）；全球變暖潛能降低了21.2%（從2.970 kg CO₂當量降至2.340 kg CO₂當量）；水資源稀缺性降低了8.7%（從0.690 m³H₂O當量降至0.630 m³H₂O當量）。這些改進得益于石墨尾礦對傳統(tǒng)原料（鋁礬土和粘土）的大比例替代，以及其低溫燒結(jié)特性和就地取材帶來的運輸能耗降低。盡管新型磚的酸化潛勢略有增加（從0.018 kg SO₂當量增至0.021 kg SO₂當量），推測可能與尾礦中雜質(zhì)釋放有關(guān)，但其在資源節(jié)約和減緩氣候變化方面的綜合環(huán)境效益顯著，符合聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標（SDG 12：負責任消費和生產(chǎn)；SDG 13：氣候行動）。

本研究表明，以石墨尾礦（占70%）和鋁礬土（占30%）為主要原料，在1400°C下燒結(jié)制備新型耐火磚在技術(shù)上是完全可行的。所制產(chǎn)品性能優(yōu)異，其抗壓強度、荷重軟化溫度等關(guān)鍵指標均滿足國家標準，為石墨尾礦的大規(guī)模、高值化利用提供了可靠的技術(shù)路徑。物相與微觀結(jié)構(gòu)分析揭示了材料性能優(yōu)異的根本原因：在高溫燒結(jié)過程中，原料中的礦物相發(fā)生轉(zhuǎn)變，特別是1300-1400°C范圍內(nèi)大量生成的莫來石相，與殘余晶相和玻璃相共同構(gòu)成了穩(wěn)定而致密的復合結(jié)構(gòu)，賦予了材料卓越的高溫穩(wěn)定性和力學性能。

該研究的創(chuàng)新之處在于，它不僅是首個將石墨尾礦作為主要原料（含量高達70%）用于制備耐火磚的研究，而且通過系統(tǒng)的生命周期評估，定量證明了該方案在環(huán)境和經(jīng)濟效益上的雙重優(yōu)勢。與傳統(tǒng)產(chǎn)品相比，新材料能大幅減少對天然礦產(chǎn)資源的依賴，顯著降低全球變暖潛能，同時其生產(chǎn)成本更具競爭力。這項工作成功地將工業(yè)固體廢棄物轉(zhuǎn)化為高性能的工程材料，為解決石墨尾礦堆積帶來的環(huán)境壓力提供了切實可行的方案，也為耐火材料產(chǎn)業(yè)的綠色、可持續(xù)發(fā)展提供了新的思路和科學依據(jù)，實現(xiàn)了“以廢治廢、變廢為寶”的循環(huán)經(jīng)濟理念。