东北大学潘晓林教授团队：赤泥回收铁铝资源技术研究现状及展望
东北大学潘晓林教授团队：赤泥回收铁铝资源技术研究现状及展望
【导读】随着我国氧化铝和粗钢产量的持续增长，铝土矿和铁矿石资源的短缺问题日益突出。赤泥作为氧化铝生产过程中的大宗强碱性固体废弃物，不仅占用大量土地，还对生态环境造成潜在威胁。东北大学潘晓林教授团队在《中国有色金属学报》发表的最新研究，系统介绍了赤泥回收铁铝资源的技术现状，并提出了未来发展的建议。
研究背景
2022年，我国氧化铝产量首次超过8000万吨，粗钢产量达到10.13亿吨，均占全球总产量的50%以上。然而，我国铝土矿和铁矿石资源保有程度低且主要为低品质矿产资源，需要大量依赖国外进口矿，从而导致我国铝工业和钢铁工业的健康发展受到严重威胁。
赤泥作为氧化铝生产排放的大宗强碱性固体废弃物，由于具有较强的腐蚀性以及复杂矿物的嵌布和赋存关系，而难以被直接利用。目前世界各国主要采取筑造赤泥坝或露天堆放的形式处理。截止到2022年底，我国赤泥累计堆存量达到14亿吨以上，且仍以年排放量1亿吨以上的速度增长，占全球赤泥年排放量的65%以上。
由于赤泥中含有丰富的铁铝资源，开发综合回收铁铝资源技术，不仅可以解决赤泥大量堆存所引起的生态环境污染，而且能够大幅度缓解我国铝土矿和铁矿石严重依赖进口的不利局面，同时对提高我国铝工业国际竞争力和实现国家生态文明建设具有重要意义。
文章亮点
本文综述了近年来国内外赤泥铁铝分离提取技术的研究新进展，并依据其工艺差异进行了重新归类划分。针对赤泥颗粒细、铁铝矿物赋存形式复杂且嵌布结构多样的问题，通过对比分析不同赤泥铁铝分离提取技术的基本原理，探讨了各技术的优势与不足，同时提出了未来发展的展望与建议，以期为高效、绿色、低碳开发利用赤泥资源提供有益的指导与借鉴。
图文解析
一、赤泥的基本性质及危害
我国主要以拜耳法生产氧化铝，进口铝土矿占我国氧化铝生产所消耗铝土矿的56%以上，导致现存赤泥中铁、铝含量较高。赤泥中主要的化学成分为Fe2O3、Al2O3、SiO2、TiO2、Na2O和CaO，约占赤泥总量的8590%，世界主要铝土矿产地排放赤泥的化学成分及主要物理性质如图1所示。除此之外，赤泥中还含有较为丰富的稀有、稀贵和稀土元素，其中稀土总含量约占赤泥总量的0.21.2‰。
目前，我国95%以上的氧化铝由拜耳法工艺生产，且进口铝土矿溶出条件温和，其排放出的赤泥中的矿物组成多为原铝土矿中残留矿物，例如赤铁矿（Fe2O3）、针铁矿（FeO(OH)）、一水铝石（AlO(OH)）、石英（SiO2）、锐钛矿和金红石（TiO2）等；同时，受限于各个地区铝土矿类型和工艺条件的差异，赤泥中还含有方钠石（3Na2O·3Al2O3·6SiO2·4H2O）、沸石（1.08Na2O·Al2O3·1.68SiO2·1.8H2O）、霞石（3Na2O·3Al2O3·6SiO2·2CaCO3·4H2O）、水化石榴石（3CaO·Al2O3·xSiO2·(6-2x)H2O）等不溶性铝硅酸盐矿物（脱硅产物）。
由于赤泥中含有大量的碱性物质，pH值一般为10~12，其堆存处理不仅占用大量的土地，并且对堆场周边的生态环境造成潜在的污染与破坏，同时维护费用也会增加氧化铝生产成本（约占总成本2%）。除此之外，赤泥颗粒极细，并且不具有凝胶性质，长期露天堆存导致其脱水风化，粘结性差的赤泥表层颗粒易随风进入空气中，造成周边城市地区的空气污染，危害人们的身体健康。
图1 典型铝土矿产地国排放赤泥化学成分和基本物理性质
二、物理选矿工艺处理赤泥回收铁铝资源
物理选矿工艺是依据赤泥中不同矿物组成之间物理性能差异，采用选矿的方法将铁、铝矿物分离富集的过程，包括“磁选法”和“重选法”两类，如图2所示，具有低能耗、低污染优势。由于赤泥中铁矿物均以弱磁性矿物形式存在，且颗粒细、嵌布结构复杂，采用传统的磁选、重选-浮选、电力分选等工艺难以达到铁铝资源高效分离富集，所得铁精矿品位较低、回收效果较差，且Al2O3含量高，一般在10%以上，难以直接用于高炉炼铁。
图2 不同物理选矿铁铝分离工艺技术路线：（a）中磁场粗选-多重高梯度磁选；（b）水力旋流-多重磁选分离
三、火法冶金工艺处理赤泥回收铁铝资源
火法冶金工艺通过高温还原焙烧将赤泥中的弱磁性铁矿物转化为强磁性铁矿物或金属铁粒，再经还原熔炼或弱磁磁选达到铁、铝分离提取的目的。具体而言，煤粉、生物质、CO、H2等是还原焙烧过程中主要还原剂，同时钙盐、钠盐等添加剂是铁铝转相过程中主要配体，因此，依据上述还原剂和添加剂组成不同，火法冶金工艺可分为碳热还原法、气基还原焙烧法、钠化还原焙烧法等，其技术原理、特征和工艺流程如图3和图4所示。碳热还原法通过高温还原熔炼获得金属铁粒，TFe品位可达99%，Fe2O3回收率超98%，但是能耗高、物耗高、碳排高；气基还原焙烧以CO、H2等为还原剂，通过还原焙烧可获得TFe为55%的铁精矿，Fe2O3回收率超80%，该技术虽能降低还原温度、提高反应速率，但铁精矿中Al2O3较多，不利于后续应用；钠化还原焙烧通过添加钠盐改善铁铝分离回收效果，其所得铁精矿TFe品位超58%，Fe2O3回收率超95%，但钠盐的添加使碳排放量增加，恶化了铁矿物还原效果。
图3 不同火法冶金铁铝分离工艺技术原理与特征
图4 不同火法冶金铁铝分离工艺技术路线：（a）碳热还原法；（b）气基还原焙烧法；（c）钠化还原焙烧法
四、湿法冶金工艺处理赤泥回收铁铝资源
湿法冶金工艺是通过赤泥中各组分在不同介质和反应条件下发生的差异化反应，实现对铁铝资源的分离提取，在介质组成形式上，湿法冶金工艺可分为碱法和酸法，其中碱法又可根据工艺流程和反应机理划分为高压水化学法、亚熔盐法、湿法串联法、一步碱热法、水热还原法等，其技术原理与特征和工艺流程如图5和图6所示。高压水化学法与亚熔盐法以高苛性比碱液或NaOH亚熔盐为反应介质，Al2O3和Na2O回收率可分别达到70%和90%以上，但存在碱浓度高、流程较复杂、蒸发能耗高等问题；湿法串联法用于处理中低品位铝土矿，通过添加高温合成后的铁酸钠、铁酸钙等铁酸盐，处理后的赤泥Al2O3/SiO2和Na2O/SiO2质量比可分别降低至0.8和0.2以下，但流程比较复杂、处理后赤泥碱含量仍较高；水热还原法将赤泥中铁矿物转化为磁铁矿，在提取氧化铝的同时能够获得磁性铁矿物，具有能耗低、磁转化率高、流程短等优势，但还原剂消耗大、工艺过程产生气体，且残留杂质容易影响氧化铝生产；酸法则利用酸溶液浸出可溶性有价金属，铁铝浸出率高，具有能耗低、工艺简单等优势，但存在耐酸设备要求高、投资大、后续金属离子分离纯化困难等问题。
一步碱热法是作者团队提出的以钙铁榴石（3CaO·Fe2O3·mSiO2·(6-2m)H2O）作为目标脱硅产物的一种短流程绿色处理工艺，通过有效利用赤泥中的铁矿相，赤泥脱碱提铝同步处理，Al2O3回收率达到60%~80%、碱回收率大于90%，处理后赤泥Na2O含量降低至0.5%以下，可直接用于制备高铁水泥、土壤修复、炼钢造渣剂、矿坑回填等，获得的铝酸钠溶液直接返回到拜耳法流程中，能够实现赤泥的无害化、资源化、全量化利用。
图5 不同湿法冶金铁铝分离工艺技术原理与特征
图6 不同湿法冶金铁铝分离工艺技术路线：（a）亚熔盐法；（b）湿法串联法；（c）一步碱热法；（d）水热还原法；（e）酸法
表1赤泥回收铁铝资源主要方法的典型技术条件和获得的产品特征
研究结论
我国作为世界上最大的氧化铝生产国，若能高效利用赤泥中的铁铝资源，将对解决我国工业生产中存在的铝土矿和铁矿石供需矛盾问题、降低矿石资源对外依存度、保障工业现代化进程持续推进具有重要的战略意义与现实价值。当前对赤泥回收铁铝资源的研究建议关注以下几个方面：
（1）物理选矿工艺应着重于氧化铝生产过程中赤泥矿相的有效调控，提高赤泥中铁与其余矿物的解离性能，同时加强不同物理选矿工艺之间的协同联动提高赤泥铁矿物与铝矿物分离效果，从而获得高品质铁精矿。
（2）火法冶金工艺加强对低能耗、低碳排放的新火法冶金技术开发，提高铁矿物和铝矿物的定向分离调控；此外，提高对火法冶金过程中产生热量以及外排尾渣的回收再利用，降低生态环境污染。
（3）湿法冶金工艺应强化工艺条件、改良技术路线，或开发多技术联合处理赤泥新工艺，从而达到高效回收赤泥铁铝资源的目的；此外，开发湿法处理尾渣的资源化利用技术，实现赤泥的全量化应用。
（4）在开发赤泥综合利用新技术的同时，以短流程、低成本、降能耗、减碳排的设计理念为指导，改良或研发新式生产设备，以适应和推动新技术的发展，完成相应设备的大型化和智能化开发，实现赤泥规模化利用。
团队介绍
潘晓林，东北大学教授、博士生导师。承担科研项目60余项，其中主持国家自然科学基金3项、国家重点研发课题及子课题2项、省部级及企业合作项目20余项；执行负责国家自然科学基金5项、企业合作项目30余项。发表学术论文120余篇，以第一或通讯作者发表SCI论文50余篇（JCR一区30篇、二区13篇）、EI论文30余篇；申请/授权发明专利60余项；出版国家规划教材2部；获省部级科技奖励6项。担任巴塞尔公约亚太中心化学品与废物环境管理智库、中国有色金属技术产业创新联盟、有色金属智库等专家委员会委员；《矿冶》期刊编委；《Transactions of Nonferrous Metals Society of China》《Journal of Central South University》《中国有色金属学报》《有色金属（冶炼部分）》等期刊青年编委。
东北大学铝资源综合利用与过程控制团队创建于二十世纪七十年代，学术带头人为毕诗文教授，秉承服务氧化铝行业理念，坚持学科交叉融合发展方向，以生产实践问题为驱动、基础理论研究为支撑，形成了氧化铝生产理论与技术、多金属共生资源综合利用、先进粉体材料制备、冶金过程智能控制等特色研究方向。累计承担国家自然科学基金项目13项、国家重点研发项目4项、国家科技支撑计划重点项目1项、国家重点攻关项目3项及省部级项目20余项；常年与中国铝业集团、国家电投集团、大唐国际集团、中矿资源勘探等国有大型企业和山东魏桥集团、杭州锦江集团、新疆特变电工集团、山东创新集团、山西亚鑫能源集团、洛阳香江万基铝业等大型民营企业及沈阳铝镁设计研究院、贵阳铝镁设计研究院、东北大学设计研究院、长沙有色设计院等30余个氧化铝生产和设计企业密切合作，近10年承担企业合作项目50余项。发表学术论文300余篇，申请/授权发明专利60余项，出版《氧化铝生产工艺》《拜耳法生产氧化铝》等著作4部。研发的多项技术及装备成功应用于氧化铝企业，配合设计院完成国内氧化铝产能60%以上的设计和建设，且均达标达产；相关成果获国家优秀成果奖1项、省部级科技进步奖4项、省发明奖1项。
消息来源：中国有色金属学报