赤泥综合利用的研究现状及展望

陆海飞

（广西博环环境咨询服务有限公司，广西 南宁 530007）

赤泥是制铝工业提取氧化铝时排出的污染性废渣，其金属氧化物含量丰富，具有强碱性，成分、性质复杂以及多孔结构的特点。由于其含有大量氧化铁（Fe2O3），外观与赤色泥土相似，故被称为赤泥。赤泥的产出量，不仅跟生产方法、技术水平有关，还会因矿石品位而异。按现有工艺和铝土矿组成，每生产1 t氧化铝，将产生1.0～2.5 t赤泥。通常将采用拜耳法、烧结法和烧结法拜耳法联合生产工艺生产氧化铝所产生的赤泥分别称为拜耳法赤泥、烧结法赤泥和联合法赤泥。目前我国排放出的赤泥主要为拜耳法赤泥，约占我国赤泥产生量的90%。

据不完全统计，2020年我国赤泥综合利用总量约为849万t，综合利用率约为8%，远远低于我国大宗工业固废综合利用平均水平。目前，我国赤泥累计堆存量约为6亿t。巨量的赤泥堆放不仅产生扬尘，还占用大量土地，造成严重的环境破坏，给氧化铝冶炼行业的持续发展带来严峻的挑战。

随着赤泥产出量的日益增加，以及人们对环境问题的不断重视，最大限度地综合利用赤泥，限制赤泥的危害，已刻不容缓。而科学有效地处理这些赤泥，不仅可以减少对环境和人类健康的危害，还可以从中获得可观的利润。本文就赤泥综合利用的研究进展进行了综述，并对赤泥利用技术发展提出建议，以期为赤泥资源化利用提供参考。

1 赤泥用于制备建筑材料

1.1 制备砖

彭建军等［1］以拜耳法赤泥为原料，通过配入粉煤灰、水泥、砂、改性剂，制备出放射性低、抗压强度符合《混凝土路面砖》（JC/T 446-2000）要求的砖块，可作为路面砖使用。

韩涛等［2］以赤泥、粉煤灰、砂为主要原料进行免烧砖制备配合比研究，在赤泥掺入量为33%～37%、粉煤灰配比量为21%～25%、砂石配比量为19%～21%、石灰配比量为7%～9%等条件下制得的免烧砖，经自然养护后，其28 d抗压强度达到22 MPa以上，满足《非烧结垃圾尾矿砖》（JC/T 422-2007）的要求，可作为一般房屋建筑墙体材料。

郭晖等［3］以烧结法赤泥为主要原料，配入适量的粉煤灰、黏土等制备墙砖。在粉煤灰掺量不高于15%的情况下，所制得的墙砖满足《陶瓷砖》（GB/T 4100-2006）BIII类陶质砖的要求。

林蔚等［4］通过响应面分析法研究赤泥烧结砖的烧结温度、保温时间、坯料粒度等因素对吸水率的影响，优化了赤泥制备烧结砖的烧结工艺参数，为制备出性能更优的烧结砖提供了理论依据。

为防止出现“泛霜”现象影响产品质量及建筑物外观，通常要求制备建筑材料的原料中钠含量低于0.5%，然而拜耳法赤泥中Na2O含量一般为5%左右，远高于建筑材料的要求，限制了赤泥在建筑材料方面的大规模应用。

1.2 制备水泥

赵宏伟等［5］以赤泥为主要原料，通过设计熟料中矿物的组成，在1 300℃条件下制备硫铝酸盐水泥熟料。当赤泥配料为37.39%、设计矿物组成为56%C4A3S、30%C2S、14%C4AF时，水泥水化早期强度较高且增进稳定，水化浆体结构致密，见表1。

表1 水泥力学性能对比 MPa

赵艳荣等［6］利用赤泥、粉煤灰制备出性能合格的贝利特硫铝酸盐水泥。研究发现，赤泥的掺入能降低熟料的烧成温度，促进C4A3S矿物的形成，进而提高水泥的抗压强度。当赤泥掺量为4%时，所制水泥的28 d抗折强度和抗压强度分别为5.9 MPa和48.9 MPa。

吴锋等［7］通过碳化脱钠法将赤泥中碱含量降低至1%以内后用于部分替代生料制备水泥熟料。结果表明：当脱碱赤泥掺入量为15%，在1 400℃下煅烧制得的水泥熟料，其28 d抗折强度和抗压强度分别为8.16 MPa和55.2 MPa，符合525R水泥强度要求。

朱建平等［8］以赤泥、石灰石、脱硫石膏等为原料，通过配入一定量的高铝石和砂岩，在煅烧温度为1 280℃、煅烧时间为30 min条件下，烧制成高贝利特硫铝酸盐水泥熟料。将其按标准方法成型，水泥水化早期强度较好，后期强度稳定增长，28 d抗压强度可达48.2 MPa。

基于上述文献可知，以赤泥为主要原料制备不同类型水泥熟料，所得到的产品具有较高的抗压强度，均能满足水泥对强度的要求。但不同类型水泥熟料对赤泥的添加量相差较大，在保证水泥强度的条件下应尽量提高赤泥的掺入量，提高赤泥的综合利用率。

1.3 制备微晶玻璃

利用赤泥制备矿渣微晶玻璃是高附加值利用的一种资源化技术。刘立强等［9］以气化炉渣-赤泥为原料，利用熔融法制备出微晶玻璃，为赤泥、气化炉渣的资源化利用开辟了一条新的途径。

刘立强等［10］则以赤泥和钢渣为主要原料，在不外加晶核剂和助熔剂的情况下，利用熔融法制备出抗折强度达到161.57 MPa、显微硬度为839.5 MPa的微晶玻璃。

张延玲等［11］发现在熔融法制备微晶过程中，高铁赤泥中的Fe3O4和TiO2复合晶核剂共同作用，使得玻璃熔体形核和结晶，最终形成微晶玻璃。

基于上述文献可知，赤泥在制备微晶玻璃等方面做了大量研究，赤泥混合不同的掺加料可以获得硬度较好、弯曲强度高、耐酸耐碱性能优良的微晶玻璃，但存在能耗高、放射性风险等问题，在工业上并未有大规模应用实例。

2 提取有价金属元素

2.1 从赤泥中回收铁、铝

鲁桂林等［12］采用盐酸浸出赤泥中的氧化铁和氧化铝，考察了盐酸浓度、液固比、浸出时间、浸出温度等因素对赤泥中氧化铁、氧化铝浸出效率的影响。研究发现，在盐酸浓度为6 mol/L、液固比4∶1、酸浸时间为60 min、浸出温度为109℃、二次浸出条件下，氧化铁和氧化铝的浸出率分别达到98%和89%。

高建军等［13］将赤泥配碳制备成含碳球团后用于直接还原-熔分生产金属铁，通过控制冷却速率使炉渣自粉化，再用碳酸钠溶液浸出粉化渣中的氧化铝。结果表明：粉化渣中氧化铝的浸出率受到硅钙比的影响，在钙铝比为1.6时，渣中氧化铝主要生成易浸出的12CaO·7Al2O3。在浸出时间为150 min、浸出温度为80℃、碳酸钠溶液浓度为120 g/L、液固比为5∶1的条件下，粉化渣中氧化铝浸出率可达86.65%。

谢武明等［14］通过单因素试验和正交试验考察了影响赤泥中铁、铝浸出率各因素的主次顺序，试验结果显示，盐酸浓度和酸浸温度的影响最大，浸出时间和液固比次之。在赤泥粒度为150μm、盐酸浓度10 mol/L、酸浸温度80℃、浸出时间150 min、液固比8∶1的最佳工艺条件下，金属铁的浸出率达到95.1%，金属铝的浸出率达到96.%。

2.2 从赤泥中回收稀有金属

孙道兴［15］采用石灰对赤泥脱碱，再用两段酸浸工艺从赤泥中提取钪、钛金属。结果表明，脱碱赤泥先经6 mol/L盐酸浸出，浸出液经1%的P507萃取，再用2.0 mol/L氢氧化钠溶液进行反萃取，金属钪的提取率可达90%以上；二段浸出采用17.1 mol/L硫酸溶液，在酸渣质量比为3∶1、浸出温度为200℃、浸出时间为2 h条件下，金属钛的提取率达到95%。

周康根等［16］采用盐酸两段分级浸出工艺提取赤泥中有价金属元素，试验得出一段浸出最优条件为：盐酸用量为理论用量的40%、浸出时间1 h、浸出温度90℃、液固比为7∶1。在此条件下，金属钙的浸出率达到97%，金属钠的浸出率为83%，金属铝的浸出率为43%；以一段酸浸渣为原料进行二段浸出，在盐酸用量为理论量的130%、盐酸浓度8.8 mol/L、浸出时间1 h、浸出温度为90℃的条件下，金属铁的浸出率高达99%，金属钒的浸出率93%，稀土元素钪的浸出率达88%，镧、铈稀土元素的浸出率均达到了70%左右，经济效益良好。

杜善国等［17］首先将高铁赤泥经过磁化焙烧-磁选后，得到TiO2含量达到20%的尾渣，然后再用85%的硫酸溶液浸出，调整液固比8∶1，金属钛的浸出率达到88.6%。酸浸液除铁后，进行沸腾水解得到偏钛酸，经洗涤、烘干、焙烧后可制得纯度为95.3%的锐钛型TiO2。如图1所示，净化焙烧后氧化钛变得整齐规则，但形状并不完全一致。

图1 焙烧试样SEM图

综上所述，从赤泥中提取金属元素可获得较高的浸出率、回收率，但由于工艺较为复杂，且提取金属多为酸浸法，对设备耐蚀性要求较高，且废酸产生量大，增加了后续处理成本。目前还不能通过单一工艺进行提取和回收赤泥中多种有价元素，经济效益低，赤泥有价金属元素提取与综合利用仍停留在试验研究阶段。

3 赤泥用于环境治理

赤泥具有胶结的孔架状结构、具有较大的空隙率和比表面积等特点，在环境领域有一定的应用范围，可以作为吸附剂、絮凝剂、催化载体等。

3.1 治理废气

拜耳赤泥中含有一定量Al2O3、Fe2O3、Na2O、TiO2、MgO等金属氧化物，其易与SO2发生反应生成硫酸盐，从而起到脱硫作用。杨国俊等［18］利用拜耳法赤泥浆液作为吸收剂进行了工程化中试试验，当pH＞5时，脱硫效率达到98%以上。贾帅动等［19］以联合法赤泥为原料，在赤泥浆液流量为45 L/h、烟气流量为4.4 m3/h的条件下，脱硫效率可达93%。当其pH＜5时，赤泥浆液的脱硫效率开始下降，这与杨国俊等人的研究结论相一致。竹涛等［20］采用单因素分析法进行了混合赤泥脱硫试验，得出赤泥脱硫反应优化条件为反应温度20℃、液固比12∶1、赤泥粒度为0.178 mm、pH值大于4.5，在此操作条件下，7 h内脱硫效率可维持在95%以上。

盛彦清等［21，22］研究发现赤泥与矿井废水的联合使用具有良好的脱硫、脱硝效果，加入适量的NaClO2添加剂，可将吸收液的脱硝效率提高至70%。

基于上述文献可知，利用赤泥治理废气主要为脱硫、脱硝。赤泥浆液作为脱硫剂具有良好的脱硫效率，但作为脱硝剂去除率仅能达到50%左右，为了进一步提高脱硝效率还需加入添加剂，增加了使用成本，后续应加强赤泥脱硫脱硝一体化的研究。

3.2 治理废水

康静文等［23］以赤泥为原料，模拟对锌冶炼废水中Zn2＋、Cd2＋、Pb2＋的吸附作用。试验发现，高温焙烧可提高赤泥的吸附性能，Zn2＋、Cd2＋、Pb2＋去除率均达到90%以上，且处理后的赤泥沉降速度较快，容易从水中分离。

兰丽娟［24］采用强氧化剂双氧水活化烧结法赤泥，用于废水除磷的吸附剂。结果表明：活化处理有利于提高赤泥对磷的吸附能力。先经过双氧水处理，再经700℃热处理的赤泥对废水中磷的饱和吸附量可达252.40 mg/g，具有较好的应用前景。

梁晶［25］以赤泥为主要原料，按照一定的比例加入粘土、碳酸氢铵干性造孔剂，在试验用回转窑中进行高温活化。活化后的赤泥滤料表面多微孔，具有较大的比表面积和内外部孔隙率，如图2所示，有利于微生物的固定及繁殖。所制备的活化赤泥具有较好的吸附胶结性能，可满足曝气生物滤池对滤料性能的需求，对石化废水中COD去除率达到30%以上，有效减少了污染物的排放。

图2 活化后的赤泥滤料表面SEM图

基于上述文献可知，活化后的赤泥可作为吸附剂用于处理污水中的重金属离子、常规水质污染物，但大部分研究仍停留在实验室模拟阶段，对于实际应用还有待进一步深入研究，对于废水处理后的吸附剂更加需要探索出一种合理安全的处置方式。

3.3 修复土壤

李怡帆等［26］研究发现赤泥对重金属离子可起到显著的络合吸附作用，经过赤泥处理的污染土壤中有效态重金属有明显下降，当赤泥加入量为5%时，土壤中交换态Pb、Zn含量分别降低了53%和56%。

范美蓉等［27］通过土壤培养试验，研究赤泥对重金属污染土壤中Cd、Pb和Zn的修复作用。结果显示，赤泥的加入能显著降低土壤中交换态Cd、Pb和Zn的含量，当赤泥添加量为4%的条件下培养90 d，交换态Cd、Pb、Zn含量分别下降了25.70%、50.19%和47.16%。

刘昭兵等［28］以湖南某地的田间进行试验，研究了不同赤泥施用量对中轻度Cd污染酸性稻田水稻生长及吸收累积Cd的影响。结果表明，施用一定量赤泥能提高土壤pH值，增加有效穗数，提高水稻产量。当赤泥施用量为9 000 kg/hm2时，土壤pH提高12.0%，有效态Cd含量降低24.9%，水稻根系、茎叶和糙米中Cd分别降低了55.7%、54.5%和69.9%。

以上文献表明，利用赤泥修复污染土壤是可行的，并能起到改良土壤和促进作物增产的效果。但目前用于土壤修复的赤泥利用率低，限制了赤泥资源化的发展。在修复污染土壤中大量使用时，还需要系统研究应用参数，同时应降低赤泥本身带入的重金属对农作物的影响，最大限度地发挥修复效果。

4 结论与展望

赤泥作为氧化铝工业生产中排放的废渣，近年来产量日益增多。将赤泥用于建筑材料制备免烧砖、水泥、微晶玻璃、用于环境治理以及提取赤泥中有价金属元素等，能使难以处置的赤泥资源化和无害化，是一般工业固体废物治理的有效途径。

开展资源综合利用是我国深入实施可持续发展战略的重要内容。推进赤泥综合利用对提高资源利用效率、改善环境质量、促进经济社会发展全面绿色转型具有重要意义。建议主管部门尽快制定激励力度更大、目标要求更明确、可操作性更强的政策与标准体系推动赤泥综合利用，氧化铝企业、资源综合利用企业加大赤泥综合利用关键技术研发与产业化应用，不断创新产业间融合共生、区域间协同发展模式，共同推动赤泥综合利用在“十四五”时期取得突破性进展。