赤泥資源化利用與展望

李 新

(湖南節(jié)能評(píng)價(jià)技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

隨著逐漸深入的國(guó)內(nèi)電解鋁供給側(cè)改革和國(guó)外氧化鋁產(chǎn)能的明顯增加，中國(guó)經(jīng)濟(jì)的放緩導(dǎo)致鋁需求減少，同時(shí)暫未出現(xiàn)新興國(guó)家拉動(dòng)新需求，氧化鋁行業(yè)迎來(lái)了“寒冬”，其高利潤(rùn)時(shí)代即將成為歷史。數(shù)十年來(lái)氧化鋁的生產(chǎn)工藝無(wú)明顯變化，在這種情況下，只有積極解決赤泥綜合利用這一世界性難題，才能為氧化鋁行業(yè)帶來(lái)新的“春風(fēng)”，成為下一個(gè)利潤(rùn)生長(zhǎng)點(diǎn)。

我國(guó)非常重視赤泥的綜合利用工作。2010年國(guó)家工信部和科技部聯(lián)合編制了《赤泥綜合利用指導(dǎo)意見(jiàn)》，就提高赤泥的綜合利用率與技術(shù)水平給出了指導(dǎo)性意見(jiàn)，鼓勵(lì)攻關(guān)和研發(fā)關(guān)鍵共性技術(shù)，推廣赤泥應(yīng)用和示范工程。2016年國(guó)務(wù)院印發(fā)了《“十三五”生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃》，明確提出“到2020年，全國(guó)工業(yè)固體廢物綜合利用率提高到73%”，作為一類排放量大、處置成本高、環(huán)境影響惡劣的大宗工業(yè)固廢，赤泥實(shí)現(xiàn)大規(guī)模資源化利用雖任務(wù)艱巨但意義重大。

1 赤泥的組成與特性

赤泥，氧化鋁行業(yè)產(chǎn)生的一種污染性工業(yè)固體廢物，由于富含氧化鐵，外觀類似赤色泥土而得名[1]。根據(jù)鋁土礦中鋁含量的高低及生產(chǎn)方式的不同，可將赤泥分為燒結(jié)法、拜爾法或聯(lián)合法赤泥。據(jù)估算，每生產(chǎn)1 t氧化鋁，赤泥的排放量一般情況下介于0.7～2.0 t。

赤泥的化學(xué)組分根據(jù)生產(chǎn)工藝、鋁礦產(chǎn)地、技術(shù)水平等的不同，含量略有區(qū)別，主要為氧化鐵、氧化鋁、二氧化硅、氧化鈣等[1]。赤泥不溶于水，堿性強(qiáng)，pH值高達(dá)10.78，本身還具有顆粒分散性好、比表面積大等多孔材料的特征。目前處置方式主要依靠露天堆積、深坑填埋以及修筑赤泥壩等，不僅占用大量土地和農(nóng)田，同時(shí)也需要企業(yè)承擔(dān)高昂的維護(hù)管理費(fèi)用，導(dǎo)致制鋁成本的提升，也給赤泥壩周圍的環(huán)境安全和人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全埋下隱患。國(guó)內(nèi)外相繼發(fā)生多起氧化鋁廠赤泥庫(kù)泄露等環(huán)保事故，引起政府機(jī)構(gòu)和相關(guān)市場(chǎng)人士高度重視，越來(lái)越多的普通民眾開(kāi)始關(guān)注赤泥對(duì)環(huán)境的危害，例如對(duì)土地資源的占用，對(duì)大氣、土壤和水體的污染，對(duì)建構(gòu)筑物表面的腐蝕等[2]。資源利用、環(huán)境保護(hù)和民生安全等多方面，均對(duì)赤泥綜合利用提出了要求。

赤泥的獨(dú)特理化性質(zhì)和所含大量的可利用組分是把“雙刃劍”，一方面提高了處理赤泥污染和保護(hù)環(huán)境安全的難度，另一方面也是其在冶金、建材、環(huán)保等領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)母牧己吞幚砗螅梢员怀浞值乩?，在環(huán)境和經(jīng)濟(jì)方面，赤泥資源化都具有重要意義[3]。

2 赤泥資源化利用

2.1 提取金屬

隨著國(guó)內(nèi)外研究的不斷深入，大量存在于赤泥中的鐵、鋁、硅、鈦、鈉和稀土元素等被廣泛關(guān)注。由于赤泥顆粒粒徑和高堿性導(dǎo)致資源回收難度大，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)赤泥中金屬資源的利用大多集中于鐵、鈦和稀土元素的提取和回收[3]。

鐵在赤泥中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%～45%，目前國(guó)內(nèi)常用回收鐵的方法有酸浸回收法、焙燒-還原磁選法、直接磁選法等。朱德慶等開(kāi)發(fā)了碳酸鈉焙燒還原-磁選法，結(jié)果表明在適當(dāng)條件下，整體鐵回收率可達(dá)到95.76%，回收后殘?jiān)衫^續(xù)利用，如提取其他有價(jià)組分、制備其他材料等，提高赤泥的整體利用率，達(dá)到減少赤泥排放的目的[4]。

鈦是一種稀有金屬，在自然界中分布分散，提取難度大。而赤泥含有大量鈦元素，某些赤泥中二氧化鈦含量甚至高達(dá)20%以上，使其成為豐富的鈦礦資源?；厥这伒姆椒ㄖ饕袃煞N：酸浸法和焙燒法。姜平國(guó)等[5]通過(guò)球磨、酸浸、萃取離子交換分離等步驟，可實(shí)現(xiàn)80%以上的鈦浸出率。

提取赤泥中的稀土元素也是有效利用的途徑之一，山西開(kāi)興赤泥開(kāi)發(fā)有限公司對(duì)其原理及工藝開(kāi)展了深入研究并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)化生產(chǎn)，試驗(yàn)表明每噸赤泥可提取混合稀土2.12 kg、氧化鐵73.6 kg、氧化鈧128 g、4A沸石674 kg，剩余廢渣還可用于制備保溫磚。

2.2 生產(chǎn)建筑材料

國(guó)內(nèi)外研究和實(shí)踐表明，赤泥可作為配料生產(chǎn)不同型號(hào)水泥。通過(guò)于水泥廠合作，日本三井氧化鋁公司將赤泥為鐵質(zhì)原料，參入水泥生料，最終每噸水泥熟料可消耗5～20 kg赤泥。我國(guó)山東鋁廠在建廠初期就開(kāi)始了針對(duì)赤泥的相關(guān)研究，上世紀(jì)六十年代初建成了綜合利用赤泥的大型水泥廠，水泥生料中赤泥配比為20.0%～38.5%，赤泥綜合利用率為30.3%～55.0%。隨著新技術(shù)的發(fā)展，赤泥配比可提升至45%，水泥質(zhì)量也得到了優(yōu)化[6]。

利用赤泥作新型墻材。山東淄博天之潤(rùn)生態(tài)科技有限公司實(shí)施了赤泥透水磚項(xiàng)目，該項(xiàng)目利用赤泥大規(guī)模生產(chǎn)透水磚，摻配率高達(dá)90%，年耗赤泥7萬(wàn)噸。中國(guó)長(zhǎng)城鋁業(yè)公司研究所和山東鋁業(yè)公司研究院分別研究成功以粉煤灰和赤泥為原料生產(chǎn)免蒸免燒磚工藝[7]，這種空心磚質(zhì)輕、保溫、強(qiáng)度高，符合國(guó)家建材改革的方向。

長(zhǎng)沙礦山研究院與山東鋁業(yè)公司合作研究了赤泥作礦山充填材料的可能性。通過(guò)混合赤泥、粉煤灰和石灰制得充填料用于礦山開(kāi)采，并通過(guò)工業(yè)化試驗(yàn)證明充填體強(qiáng)度滿足采礦要求[8]。

此外，以赤泥為原料，添加合適的工業(yè)廢渣為外加劑，可制備輕質(zhì)保溫材料[9]。該方法與傳統(tǒng)制備工藝相比，在消納赤泥的同時(shí)降低了原料費(fèi)，對(duì)降低環(huán)境污染、減少固廢壓力、實(shí)現(xiàn)鋁工業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

2.3 作為路基材料

大規(guī)模利用赤泥的重要途徑之一是利用赤泥開(kāi)發(fā)路面基層材料，投資少經(jīng)濟(jì)效益好。齊建召等[10]提出了通過(guò)優(yōu)化原材料、配合比、施工工藝和加強(qiáng)質(zhì)量控制等措施，提升赤泥的路用材料性能，試驗(yàn)研究表明通過(guò)調(diào)節(jié)配比，赤泥路基強(qiáng)度可滿足高等公路要求，并具有回彈值大、強(qiáng)度高等優(yōu)勢(shì)。

謝源等[11]研究利用廣西平果鋁業(yè)產(chǎn)生的赤泥為主要原材料，混合粉煤灰、石灰和少量外加劑，開(kāi)發(fā)了一種高性能、低成本的新型赤泥路基，施工簡(jiǎn)易效率高，赤泥消納量可達(dá)80%以上，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。2017年山東海逸交通科技有限公司自主研發(fā)了“赤泥基道路混凝土”技術(shù)，并已應(yīng)用于北海經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)市政道路建設(shè)和濟(jì)青高速公路改擴(kuò)建工程項(xiàng)目，成功實(shí)現(xiàn)了技術(shù)成果轉(zhuǎn)化，取得了良好的效益。2018年魏橋集團(tuán)投入了2萬(wàn)噸赤泥用于濟(jì)青高速濱州段路基建設(shè)，長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)分析顯示，道路的環(huán)保可控性和工程質(zhì)量可行性均符合預(yù)期。

據(jù)測(cè)算，各級(jí)道路消納赤泥量如表1所示，這對(duì)于幅員遼闊，公路里程巨大的我國(guó)，意義重大；對(duì)于赤泥產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)發(fā)展，前景廣闊[12]。

表1 各級(jí)道路消納赤泥量

2.4 用于污染防治和環(huán)境修復(fù)

通過(guò)改良赤泥的化學(xué)及物理性質(zhì)，結(jié)合赤泥自身特性可制備一系列環(huán)境修復(fù)材料，例如脫硫劑、凈水劑、催化劑、絮凝劑、吸附劑、土壤改良劑等，用于污染防治和環(huán)境修復(fù)[1]。

在水處理方面，可利用赤泥的強(qiáng)堿性特點(diǎn)，中和酸性污染水，但需注意赤泥中重金屬元素對(duì)水源的二次污染問(wèn)題。其次，可利用赤泥顆粒較小、比表面大等物化特性，作為吸附劑吸附水中污染物如重金屬有機(jī)物、陰離子等。為增強(qiáng)赤泥對(duì)水中污染物的吸附能力以及避免使用過(guò)程中的再污染問(wèn)題，赤泥需通過(guò)酸化、熱活化、酸熱綜合等方式進(jìn)行活化[13]。此外，可利用赤泥中鐵、鋁含量較高的特點(diǎn)，把赤泥用作絮凝劑，水中除磷效果明顯，該絮凝劑具有原材料易得、價(jià)格低廉的優(yōu)勢(shì)，但穩(wěn)定性有待提高。

在氣體處理方面，赤泥同樣可以作為吸附劑，如赤泥中的堿和鐵元素對(duì)廢氣中的硫元素的吸附[14]，作用效果明顯，具有吸附效率高、吸附硫量大、流程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)；赤泥還可以作為催化劑處理廢氣，對(duì)碳氧化物、氮氧化物等具有較高的轉(zhuǎn)化率，但需進(jìn)一步研究其催化與活化原理。

在土壤改良和修復(fù)方面，主要是利用赤泥的強(qiáng)堿性，中和酸性物質(zhì)，使土壤的pH值上升；此外，赤泥中的鐵、鋁組分可與土壤中的重金屬固結(jié)形成化合物，利用這一特性，將赤泥廣泛配比到各種土壤修復(fù)劑中，用于修復(fù)重金屬污染和土壤酸化、改良鹽漬化土壤等。此外，研究人員還研發(fā)生產(chǎn)了含赤泥組分的化肥，如中鋁公司于2000年研發(fā)的赤泥硅鈣復(fù)合肥，產(chǎn)品中赤泥配比達(dá)80%[15]。

3 赤泥綜合利用展望

為了貫徹落實(shí)相關(guān)綠色循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求，針對(duì)赤泥的開(kāi)拓性研究勢(shì)在必行。目前大都是利用赤泥的某種特性或者回收赤泥中金屬，資源化利用方式較為分散，系統(tǒng)性研究不足，未來(lái)應(yīng)從轉(zhuǎn)換利用或簡(jiǎn)單回收向高附加值利用方式轉(zhuǎn)變，并對(duì)利用后的赤泥進(jìn)行安全處置研究，避免二次污染。

李彬等[3]認(rèn)為，考慮我國(guó)大氣污染現(xiàn)狀和特點(diǎn)，今后赤泥的處理思路將是“氣體凈化-資源回收-制備建筑材料”系統(tǒng)研究與工業(yè)化綜合利用新途徑，建議首先利用赤泥進(jìn)行煙氣脫硫并回收鋁、鐵、鈦等金屬元素，降低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，防止土壤和地下水污染，然后再用于土壤或建材方面進(jìn)行無(wú)害化處置，最大化實(shí)現(xiàn)赤泥的減量化、資源化和無(wú)害化，為赤泥的處置和利用提供了新的研究與工業(yè)化思路。

羅星等[6]提出未來(lái)赤泥研究與開(kāi)發(fā)方向應(yīng)該是多方法綜合回收赤泥中的有價(jià)組分，考慮我國(guó)國(guó)情和赤泥的特點(diǎn)，未來(lái)可采用濕法冶金和火法冶金技術(shù)相結(jié)合，具體流程安排則需根據(jù)赤泥中鐵和其他氧化物的相對(duì)量而定，最終達(dá)到節(jié)能、減排、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和有效的目的。

劉中凱等[16]則從生態(tài)修復(fù)的角度給出了赤泥規(guī)模化處置的有效途徑和發(fā)展趨勢(shì)。他們針對(duì)華北地區(qū)典型拜耳法赤泥開(kāi)展了赤泥土壤修復(fù)和耐性作物(紫花苜蓿，狗牙根，堿蓬和巨菌草)種植擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)，修復(fù)后使赤泥土壤肥力達(dá)到了旱地I級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可滿足耐性作物的生長(zhǎng)要求。同時(shí)從堆場(chǎng)赤泥中成功篩選了兩種耐鹽堿微生物菌株，利用菌株修復(fù)赤泥，可顯著降低赤泥堿性，提高赤泥中大顆粒團(tuán)聚體比例。此項(xiàng) “赤泥原位無(wú)土修復(fù)技術(shù)” 為赤泥堆場(chǎng)規(guī)?；鷳B(tài)處置提供了技術(shù)支撐，具有良好的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，對(duì)企業(yè)和國(guó)家的綠色發(fā)展具有重要意義。

4 結(jié)語(yǔ)

組成決定特性，特性決定用途，“廢物”可能是放錯(cuò)了位置的資源，關(guān)鍵在于找到有效的利用方法和途徑。目前，環(huán)境和資源的問(wèn)題日益突出，是我們?cè)诎l(fā)展過(guò)程中必須至直面的矛盾。如何在有限資源的世界中創(chuàng)新發(fā)揮二次材料的價(jià)值，實(shí)現(xiàn)赤泥資源的綜合化利用，而不是單一化、分散式、小規(guī)模的“杯水車薪”，同時(shí)注意赤泥利用過(guò)程中二次污染和環(huán)保問(wèn)題，是未來(lái)我國(guó)綠色發(fā)展的著力點(diǎn)。