将用过的漂白土作为部分粘土替代品，用于生产可持续的轻质骨料

《Applied Clay Science》：Utilization of spent bleaching earth as a partial clay substitute in the production of sustainable lightweight aggregates

　　

埃姆娜·法赫法赫（Emna Fakhfakh）|贝希尔·穆西（Bechir Moussi）|约翰·扬斯（Johan Yans）|阿尔贝托·洛佩兹-加林多（Alberto López-Galindo）|法赫尔·贾穆西（Fakher Jamoussi）

水资源与技术中心（CERTE），地质资源实验室，Borj Cedria科技园，邮政信箱273，8020 Soliman，突尼斯

摘要

本研究探讨了废弃漂白土（一种富含油脂的食用油加工副产品）在轻质骨料（LWAs）制造中部分替代粘土的潜力。研究确定了这种废弃物的最大可行替代比例，并探讨了不同比例的废弃漂白土（0–40%）对轻质骨料的膨胀行为、微观结构和技术性能的影响。同时，还分析了其矿物组成和元素构成，评估了骨料的化学稳定性，并探索了其潜在应用。结果表明，轻质骨料可以掺入高达35%的废弃漂白土；当替代比例为5%时，其表观密度最低（0.51 g/cm3），吸水能力最强（4.3%）。超过这一替代比例后，由于废弃漂白土中有机化合物含量的增加，会导致骨料膨胀，从而增加表观密度和抗压强度。此外，还形成了一种不均匀的结构，其中细小多孔的核心与由大孔隙连接而成的厚层分离。矿物学分析显示，烧结后的骨料主要由莫来石、长石、赤铁矿、尖晶石、石英和方石英组成。与核心相比，表面碱金属和碱土金属的减少归因于烧结过程中的挥发作用及结晶驱动的差异化作用。对含有0%、5%和35%废弃漂白土的骨料进行浸出测试后发现，其中铬（Cr）、铅（Pb）、砷（As）和钡（Ba）的浓度低于环境可接受限值，表明所制备的轻质骨料具有环境安全性。根据其技术性能，并与某些市售轻质骨料进行比较，结果表明，根据废弃漂白土的含量不同，这些轻质骨料在各种土木工程和轻质混凝土材料中具有应用潜力。

引言

在原油精炼的漂白阶段，粘土起着关键作用（Dijkstra, 2020）。常用的漂白土（BE）是一种酸激活的蒙脱石（Meziti和Boukerroui, 2011；Abdelbasir等人, 2023）。漂白土用于去除多种污染物，包括色素（叶绿素-α和β-胡萝卜素）、皂质和胶质残留物、磷脂、氧化产物以及微量重金属（Meziti和Boukerroui, 2011；Loh等人, 2017；Srisang和Srisang, 2020）。然而，漂白过程会产生大量固体废物，即废弃漂白土（SBE）（Mana等人, 2011）。据估计，全球每年产生的废弃漂白土量约为200万吨（Abdelbasir等人, 2023；Sigauke等人, 2024）。废弃漂白土中含有20–40%（质量百分比）的吸附油和杂质（Eliche-Quesada和Corpas-Iglesias, 2014）。饱和程度取决于原油类型和所使用的漂白技术（Naser等人, 2021）。由于高有机含量，这种废物被归类为危险废物（Sigauke等人, 2024），其处置成为一个严重的环境问题。填埋是全球处理废弃漂白土的主要方法，但存在显著风险：（a）废弃漂白土中的残留油可能迅速氧化并引发自燃（Beshara和Cheeseman, 2014；Sedghamiz等人, 2019）；（b）可能释放难闻气味；（c）废弃漂白土中的脂肪物质和微量重金属可能渗入附近水源，进一步加剧环境影响（Lee等人, 2000；Xu等人, 2019）。

为了解决这些问题，人们尝试将废弃漂白土回收利用，生产有价值的产品，如氮磷钾肥料填充剂（Purba等人, 2020）、填埋材料（Yulikasari等人, 2020）和燃料块（Suhartini等人, 2011；Srisang等人, 2017）。此外，将废弃漂白土回收用于建筑材料也是许多研究的重点，包括砖块（Carrillo等人, 2020；Yusnimar等人, 2021）、瓷砖（Srisang和Srisang, 2020）、粘土块（Beshara和Cheeseman, 2014）、混凝土砂浆（Sutrisno等人, 2021）以及轻质骨料（LWAs）（Kang, 2009；Kim, 2014）。

轻质骨料是一种多孔颗粒材料，具有轻质、强度高、化学稳定性好以及良好的声学和热绝缘性能等特点。因此，在土木工程和建筑领域中非常受欢迎（Fakhfakh等人, 2007；Rashad, 2018）。其工业生产通常基于天然原料，如粘土、页岩和板岩（Dondi等人, 2016；Moreno-Maroto等人, 2020）。然而，随着污染物排放量的激增和对环境可持续性的日益重视，研究重点转向了利用各种废弃物和工业副产品来生产轻质骨料。这些产品之所以受到关注，是因为它们能够有效结合多种废弃物并固定重金属（Shao等人, 2022；Li等人, 2023）。用于此目的的废弃物包括钻屑（Ayati等人, 2019）、污泥（Franus等人, 2016；Andrzejuk等人, 2024；Ghorbel Ben Abid等人, 2026）、磷酸盐废弃物（Fakhfakh等人, 2015；Loutou和Hajjaji, 2017；Jaha等人, 2024）、粉煤灰（Chuang等人, 2018；Han等人, 2022）、疏浚沉积物（Ennahal等人, 2021）、建筑和拆除废弃物（Wang等人, 2013）以及农业废弃物（Moreno-Maroto等人, 2019）。关于使用废弃漂白土生产轻质骨料的研究相对较少，主要见于Kang（2009）和Kim（2014）的研究。Kang（2009）研究了在垂直流化炉中烧结含有10%废弃漂白土、30%石浆和60%粘土的混合物，以生产无粘附问题的细骨料。Kim（2014）则比较了在旋转窑和垂直窑中烧结的相同原料制成的细骨料的性能。尽管有这些研究，废弃漂白土在轻质骨料生产中的应用仍有许多未探索的方面，例如最佳利用比例（这对平衡烧结行为和机械性能至关重要）、废弃漂白土对膨胀动态和孔隙形成机制的影响，以及骨料的技术性能。这些性能，包括体积密度、抗压强度、吸水率和热绝缘能力，是决定轻质骨料性能和应用范围的关键因素。此外，探讨环境和可持续性考虑因素也至关重要，以确保废弃漂白土的再利用不会损害生态安全。因此，研究这些方面对于优化轻质骨料的性能、确保符合工程标准并保证其安全性至关重要。

本研究旨在评估废弃漂白土作为粘土部分替代品在轻质骨料生产中的应用。研究目标是确定最大可行的替代比例，并评估废弃漂白土含量对轻质骨料的膨胀行为、矿物组成和元素构成的影响。同时，还研究了其微观结构和关键技术性能，如表观密度、吸水率和抗压强度。此外，通过与商用骨料的比较分析，评估了所制备材料的浸出行为和潜在应用。这种方法是一种环保的替代填埋方案，可降低成本并减少粘土消耗，从而有助于防止资源枯竭。

章节摘录

材料

本研究使用的原材料包括来自突尼斯东北部Cap Bon地区的上新世粘土（AP），主要用于传统陶器和陶瓷制造；以及废弃漂白土（SBE），这是一种含有残留油脂的粉末状物质，来源于突尼斯Manouba的一家当地食用油精炼厂，用作AP的部分替代品。未经过漂白处理的原始漂白土（VBE）也被用作研究材料。

矿物组成和化学成分

图2展示了AP、SBE和VBE的XRD图谱。AP的主要矿物包括高岭石、伊利石、蒙脱石和石英，还有少量的针铁矿、长石和石膏（表2）。在SBE的无机成分中，蒙脱石和伊利石是主要粘土矿物，石英含量也较为明显。VBE和SBE的衍射图谱显示了相同的衍射峰，除了...

结论

研究表明，用高达35%的废弃漂白土部分替代粘土可以成功生产出符合UNE-EN-13055-1标准的轻质骨料。废弃漂白土不仅提供了矿物成分，还含有丰富的有机物质，既起到了孔隙形成剂的作用，又起到了助熔剂的作用。其有机成分有助于减少AP中的Fe?O?，促进黑色核心的膨胀，并降低熔点，从而在相对较低的温度（1130°C）下实现膨胀，同时节省能源和成本。

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CRediT作者贡献声明

埃姆娜·法赫法赫（Emna Fakhfakh）：撰写初稿、可视化处理、数据验证、资源协调、方法论制定、实验设计、数据分析、概念化。贝希尔·穆西（Bechir Moussi）：数据验证、资源协调、方法论制定、实验设计、数据分析。约翰·扬斯（Johan Yans）：可视化处理、数据验证、项目管理、数据分析。阿尔贝托·洛佩兹-加林多（Alberto López-Galindo）：撰写初稿、可视化处理、数据验证、监督工作、数据分析。法赫尔·贾穆西（Fakher Jamoussi）：可视化处理、数据验证、监督工作、资源协调。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

特别感谢突尼斯高等教育部和科学研究部以及突尼斯与比利时瓦隆-布鲁塞尔地区之间的“Valorisation des argiles”项目（2016-2018，项目8，第二轴）提供的财政支持。同时感谢C. Charlier（Namur电子显微镜服务）和Abdelmoulah公司提供的废弃漂白土。