近年來，隨著新能源汽車、儲能電池和碳材料產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，中國石墨產(chǎn)量與消費(fèi)量持續(xù)增長，全球市場份額超過60%，已成為世界最大的石墨生產(chǎn)與應(yīng)用國。然而，隨著石墨資源的大規(guī)模開采與利用，其帶來的尾礦問題日益突出。據(jù)統(tǒng)計，每生產(chǎn)1t石墨約產(chǎn)生13t尾礦，目前我國石墨尾礦堆存量已超過1億t。

石墨尾礦是一種以石英、長石為主，含少量殘余碳質(zhì)及其他雜質(zhì)礦物的固體廢棄物。由于粒徑細(xì)小、堆存量大且長期暴露，其不僅占用土地資源，還可能引發(fā)粉塵污染、滲濾液污染以及生態(tài)系統(tǒng)破壞等環(huán)境問題。在“雙碳”目標(biāo)和綠色礦山建設(shè)背景下，如何推動石墨尾礦的減量化、無害化和資源化，已成為亟需解決的重要課題。

石墨尾礦的組成與特性

石墨尾礦的礦物組成是決定其自身力學(xué)性能及高附加值產(chǎn)品開發(fā)潛力的關(guān)鍵因素。石墨尾礦的化學(xué)與礦物組成成分具有顯著的地域差異性。在化學(xué)組成方面，石墨尾礦主要以Si、Al、O、Ca、Fe等元素為主，部分區(qū)域中MgO與K₂O含量也相對較高。礦物組成上則以石英和長石為主要物相，次要礦物包括云母、綠泥石、方解石、閃石和赤鐵礦等，其種類與含量因產(chǎn)地不同而呈現(xiàn)明顯區(qū)別。

石墨尾礦在建材中的應(yīng)用

?水泥混凝土制備

石墨尾礦的化學(xué)成分主要為SiO₂，與混凝土細(xì)骨料所要用到的砂的主要成分基本一致，因此，近年來石墨尾礦的大部分利用還是以制備混凝土為主流。試驗(yàn)結(jié)果顯示，適量摻入尾礦可改善混凝土的密實(shí)性和抗?jié)B性，并降低干縮率。

?陶瓷與微晶玻璃制備

石墨尾礦富含SiO₂和Al₂O₃等組分，兼具陶瓷坯體與熔劑的雙重特性，適用于陶瓷及微晶玻璃的制備。

陶瓷是將黏土和其他一些無機(jī)非金屬物料以成形和燒制工藝生產(chǎn)出來的一種材料，通常條件下，在室溫下通過干壓、擠壓等方法成型，干燥處理后，在適當(dāng)溫度下完成燒結(jié)。因石墨尾礦主要由微斜長石、石英和白云母等組成，所以，可將其制成陶瓷產(chǎn)品。

?路基材料

隨著國家加強(qiáng)對天然河沙和石料開采的限制，尋求可持續(xù)的路基替代材料成為保障公路建設(shè)發(fā)展的關(guān)鍵。石墨尾礦因其物化特性適宜，被視為潛在的路基制備原料。在道路工程中，尾礦與石灰、粉煤灰等材料共同摻配，可作為路基填料，表現(xiàn)出較好的承載性能和抗凍融性能。

石墨尾礦的高值化利用

?建材高性能材料

在建材領(lǐng)域，研究者嘗試通過物理改性、化學(xué)活化及協(xié)同固廢利用，提升石墨尾礦在建材中的應(yīng)用價值。

一方面，機(jī)械活化和煅燒處理可顯著提高尾礦的火山灰活性，使其作為水泥活性摻合料時表現(xiàn)出更高的強(qiáng)度增長率和耐久性。部分研究還提出利用石墨尾礦與鋼渣、粉煤灰共同復(fù)配，以改善混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗硫酸鹽侵蝕性能。另一方面，尾礦與聚合物材料結(jié)合可制備輕質(zhì)高強(qiáng)復(fù)合建材，如尾礦?環(huán)氧樹脂復(fù)合板材，兼具良好的力學(xué)性能和耐腐蝕性能。

?環(huán)境功能材料

石墨尾礦的比表面積較大，且含有一定比例的活性組分，經(jīng)改性后可作為環(huán)境修復(fù)和污染治理的功能材料?？审w現(xiàn)在吸附劑、催化劑載體和土壤重金屬鈍化劑3個研究方向上。

吸附劑：研究表明，石墨尾礦經(jīng)酸活化或熱處理后，可有效吸附水體中的Pb²⁺、Cd²⁺等重金屬離子。在進(jìn)一步改性中，引入鐵、錳氧化物或石墨烯等功能組分，可顯著提升尾礦對有機(jī)污染物和磷酸鹽的去除效率。

催化劑載體：石墨尾礦的多孔結(jié)構(gòu)使其成為良好的催化劑載體。已有研究將Fe₂O₃或MnO₂負(fù)載于尾礦表面，制備出的復(fù)合材料在高級氧化反應(yīng)中表現(xiàn)出較高的有機(jī)污染物降解率。

土壤重金屬鈍化劑：尾礦經(jīng)穩(wěn)定化處理后可作為土壤重金屬鈍化劑，其硅鋁骨架結(jié)構(gòu)能夠固定重金屬，減少其生物有效性，從而降低植物吸收風(fēng)險。

?能源與電化學(xué)材料

石墨尾礦中含有一定殘余碳質(zhì)礦物，經(jīng)過提純和改性，可轉(zhuǎn)化為儲能和導(dǎo)電功能材料。

鋰離子電池負(fù)極材料：部分學(xué)者通過高溫碳化或化學(xué)氣相沉積，將尾礦中殘余碳質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)控為類石墨或石墨烯材料，用作鋰電池負(fù)極，展現(xiàn)出較高的比容量和循環(huán)穩(wěn)定性。

超級電容器電極：利用尾礦多孔特性，經(jīng)活化處理可制備多孔碳材料，其電化學(xué)性能優(yōu)于部分傳統(tǒng)活性炭，表現(xiàn)出良好的比電容和倍率性能。

導(dǎo)電與填充材料：尾礦中的細(xì)粒石英和殘余石墨可作為導(dǎo)電聚合物或橡膠的填充劑，賦予復(fù)合材料優(yōu)異的導(dǎo)電性和耐磨性能。

?補(bǔ)強(qiáng)填料

石墨尾礦中所含的硅酸鹽和碳酸鹽礦物，使其可作為高分子復(fù)合材料中的優(yōu)質(zhì)補(bǔ)強(qiáng)填料，在降低生產(chǎn)成本的同時顯著改善材料的力學(xué)性能。尾礦與聚丙烯、聚氨酯等聚合物復(fù)合，既能改善材料的力學(xué)性能，也能降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)工業(yè)固廢的功能化利用。

?保溫與儲熱材料

石墨尾礦中的石墨可增強(qiáng)導(dǎo)熱性能，石英則有助于提高耐高溫性，因此特別適用于保溫儲熱材料的開發(fā)。此外，石墨尾礦在電熱功能材料方面也顯示出應(yīng)用潛力。

?其它

此外，近年來，石墨尾礦在其他領(lǐng)域的新興功能材料方面的研究逐漸增加，展現(xiàn)出一定探索價值。在3D打印材料領(lǐng)域，利用尾礦制備的超細(xì)粉體作為3D打印骨料，可與樹脂或水泥基體系結(jié)合，開發(fā)輕質(zhì)高性能構(gòu)件；在染料廢水處理方面，石墨尾礦憑借其孔洞結(jié)構(gòu)和Fe₂O₃組分，可作為傳統(tǒng)脫色劑的替代材料；在土壤改良與生態(tài)修復(fù)方面，石墨尾礦也顯示出應(yīng)用潛力。

參考來源：

康可佳等.石墨尾礦高值化利用研究進(jìn)展與環(huán)境效益評估：現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)與展望

梅長海等.石墨尾礦資源化利用現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)與展望

馬再禹等.石墨尾礦應(yīng)用研究現(xiàn)狀