赤泥與粉煤灰資源特性及其協(xié)同利用現(xiàn)狀研究

摘 要：赤泥是鋁土礦制取氧化鋁的工業(yè)生產(chǎn)過程中經(jīng)過一系列物理化學反應(yīng)變化后生成的含有高堿性的固體廢棄物。粉煤灰是電廠燃煤發(fā)電后所產(chǎn)生的小顆粒狀固體廢棄物，與赤泥一樣同屬于大宗工業(yè)固體廢渣。它們不僅有很大的排放量造成環(huán)境污染，而且對人們的生活也有著嚴重的影響。如果將這兩種固體廢渣協(xié)同利用，不僅能降低環(huán)境污染，也能創(chuàng)造經(jīng)濟效益。因此，闡述了赤泥與粉煤灰的特性以及赤泥-粉煤灰的協(xié)同利用現(xiàn)狀，并對赤泥-粉煤灰的協(xié)同利用前景作出了總結(jié)與展望。

關(guān)鍵詞：赤泥;粉煤灰;排放;特性;協(xié)同利用

中圖分類號：X756

文獻標志碼：A

氧化鋁的生產(chǎn)工業(yè)會產(chǎn)生大量的赤泥，因其內(nèi)氧化鐵含量豐富，所以赤泥一般呈現(xiàn)為紅色，而形狀則為泥狀或粉末狀。目前，國內(nèi)外主要使用聯(lián)合法、燒結(jié)法、拜耳法這3種工藝生產(chǎn)氧化鋁，它們都會產(chǎn)生相應(yīng)的赤泥。其中拜耳法相較于另外兩種工藝而言，具有成本低廉的優(yōu)勢，所以目前氧化鋁的生產(chǎn)工藝大部分選用拜耳法[1]。國內(nèi)對于赤泥沒有很好的處置方法，只能將其大量堆積于露天場所，造成土地資源的浪費，而且赤泥的強堿性對生態(tài)環(huán)境有嚴重的影響，危害包括對植被、地下水的污染等，甚至影響到人類的身體健康[2-3]。

粉煤灰又稱飛灰，是我國目前排放量最大的工業(yè)廢渣之一。據(jù)文獻[4]報道，我國粉煤灰的排放量巨大，2020年我國粉煤灰排放量將突破9億t;我國在粉煤灰的利用方面也處于世界領(lǐng)先的位置，2020年我國粉煤灰行業(yè)供給量預(yù)計將達到7.81億t，而粉煤灰行業(yè)需求量預(yù)計也將突破6億t。

在如此龐大的物量基礎(chǔ)上，如何進行協(xié)同利用就顯得較為重要。本文介紹了赤泥與粉煤灰協(xié)同利用的進展，可為二者的協(xié)同利用提供參考。

1 赤泥與粉煤灰的產(chǎn)生與利用情況

1.1 赤泥的產(chǎn)生和利用情況

赤泥是鋁土礦在生產(chǎn)氧化鋁過程中經(jīng)過一系列物理化學反應(yīng)之后所產(chǎn)生的固體廢棄物，到2019年為止，全球赤泥堆存量累計已至44億t[5]。國內(nèi)產(chǎn)生的赤泥量累計已超2億t，每制取1 t的氧化鋁附帶產(chǎn)生的赤泥大約為0.8～1.5 t[6]。2020年，全球氧化鋁的產(chǎn)量約為1.32億t，其中我國氧化鋁產(chǎn)量占比約52.4%，有6 918萬t。目前，世界赤泥的平均利用率為15%，但我國赤泥的綜合利用率僅4%[7-8]。通過相關(guān)資料統(tǒng)計了我國2010—2020 年赤泥的產(chǎn)生以及利用數(shù)據(jù)，見表1。生產(chǎn)的赤泥大部分采用陸上堆存的方式處理[9]。這種處理方式不僅需要占用大量的土地，且其中的強堿性物質(zhì)經(jīng)過雨水的浸泡會滲透進入地底，造成地下水資源污染、土壤堿化等環(huán)境問題;露天堆存的赤泥沒有任何防護措施會很容易造成嚴重的空氣污染。目前，隨著國家和人民對身邊的生態(tài)環(huán)境要求日益提升，解決固廢問題已日益緊迫。

1.2 粉煤灰的產(chǎn)生和利用情況

我國粉煤灰的排放量巨大。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計結(jié)果顯示，2019年全球煤炭的總產(chǎn)量已達到81.29億t，而其中我國的煤炭產(chǎn)量就約有38.46億t，占全球總量47%左右。

目前，不同國家對粉煤灰的利用情況不同。2016年全球粉煤灰產(chǎn)量約11.43億t，平均利用率在60%左右，中、美兩國的利用率分別為71%和53%，歐盟的利用率最高為90%[10]。通過文獻[11-12]統(tǒng)計了我國2010—2020年粉煤灰的產(chǎn)生與利用數(shù)據(jù)，見表2。粉煤灰與赤泥一樣，也對環(huán)境造成嚴重的污染，并且由于其內(nèi)含有很難被生物降解的重金屬物質(zhì)，極易被人體富集，所以會對人類及其他生物有極大危害。因此，粉煤灰的處置與利用同樣刻不容緩。

2 赤泥與粉煤灰的分類

2.1 赤泥的分類

赤泥的分類一般以鋁土礦制取氧化鋁工藝方法來確定，分為拜耳法赤泥、燒結(jié)法赤泥和聯(lián)合法赤泥。

1）拜耳法赤泥

拜耳法制取氧化鋁采用NaOH溶出高鋁、高鐵、一水鋁石型和三水鋁石型鋁土礦，其中主要原料鋁礬土省略高溫煅燒環(huán)節(jié)直接溶解、分離、結(jié)晶、焙燒等工序得到氧化鋁，溶解后分離出來的漿狀物就是拜耳法赤泥。

2）燒結(jié)法赤泥

與拜耳法不同的是燒結(jié)法冶煉制取氧化鋁時，主要原料鋁礬土中要配有一定量的碳酸鈉和氧化鈣，使其能在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)高溫煅燒制成含鋁酸鹽的熟料，再經(jīng)后續(xù)工序制取氧化鋁，其中溶解后分離出來的漿狀廢渣即為燒結(jié)法赤泥。

3）聯(lián)合法赤泥

聯(lián)合法是拜耳法與燒結(jié)法的聯(lián)合使用，拜耳法制取氧化鋁所產(chǎn)生的拜耳法赤泥，經(jīng)過燒結(jié)法冶煉重新制取氧化鋁后溶解分離出來的赤泥即為聯(lián)合法赤泥。

通過相關(guān)資料查詢，3種方法所得赤泥的組分含量不同，其中燒結(jié)法赤泥與聯(lián)合法赤泥的成分大致相同，Al2O3、Fe2O3含量相對偏低，主要成分為CaO、SiO2。而拜耳法赤泥中的Al2O3、Fe2O3含量高，其中氧化鐵的含量可達28%～33%，氧化鋁含量在17%左右，堿含量及氧化鈣含量低，可以選擇從拜耳法赤泥中提取Fe與Al等元素[13]。

2.2 粉煤灰的分類

目前，粉煤灰可以根據(jù)化學組分分類或電廠爐渣排放形式進行分類。

1）按化學組分分類

粉煤灰可以根據(jù)其化學組分的不同分為低鈣灰、中鈣灰、高鈣灰、高鐵灰和高堿灰。各組分含量不同會導致不同粉煤灰呈現(xiàn)出不同的性質(zhì)，各類粉煤灰化學成分（質(zhì)量分數(shù)）及其相關(guān)性質(zhì)見表3 [14]。

2）按電廠爐渣排放形式分類

固態(tài)排渣普通煤粉鍋爐粉煤灰：固態(tài)排渣煤粉爐的代表是沸騰爐，它是我國燃煤發(fā)電的主要爐型，鍋爐煅燒采用的燃料主要是煤粉，且煤粉燃燒形成粉煤灰時的固體溫度約為1 000～1 200 ℃。

液態(tài)排渣鍋爐粉煤灰：此類鍋爐與沸騰爐一樣，也是使用煤粉作為主要燃料，相比較固態(tài)排渣普通煤粉鍋爐和循環(huán)流化床鍋爐成灰的溫度要高很多，是3種爐型中溫度要求最高的，所以為了降低粉煤灰的熔點，通常會加入少量的石灰石。

循環(huán)流化床鍋爐粉煤灰：這類鍋爐主要是針對煤矸石和劣質(zhì)煤設(shè)計的，劣質(zhì)煤指灰分含量大于30%，與前兩種鍋爐不同，循環(huán)流化床鍋爐燃燒的不是煤粉，而是顆粒狀的煤，而且造渣的溫度比較低，一般就在850～950 ℃[15]。

3 赤泥與粉煤灰的特性

3.1 赤泥與粉煤灰的化學組成特征

赤泥由于氧化鋁的生產(chǎn)工藝和鋁土礦來源的不同，不同赤泥的主要化學成分含量不同。赤泥主要是由Al2O3、Fe2O3、CaO、SiO2、Na2O、TiO2、MgO等組成。與拜耳法赤泥相比，燒結(jié)法赤泥具有高硅高鈣的特性[16-19]，而拜耳法赤泥的鐵、鋁、鈉的含量比燒結(jié)法赤泥或者聯(lián)合法赤泥的含量要高[20]。表4是3種赤泥的化學成分含量（質(zhì)量分數(shù)）。

粉煤灰是一種包含有白、黑和灰3種顏色的粒徑大小不一的混合球狀物。我國粉煤灰比表面積為300～500 m2/kg，粒徑為0.5～300 μm，平均密度相對較小，只有約2.1 g/cm3，其化學成分主要包含Al2O3、SiO2、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、SO3和未燃盡的碳，鉛、汞、砷等微量元素，以及鎵和鍺等稀有金屬物質(zhì)[22]。粉煤灰的化學成分含量（質(zhì)量分數(shù)）見表5。

3.2 赤泥與粉煤灰的礦物組成特征

3.2.1 赤泥的礦物組成

赤泥的礦物組成包括赤鐵礦（Fe2O3）、針鐵礦（α-FeO（OH））、勃姆石（γ-AlO（OH））、石英（SiO2）、方鈉石（Na8（Al6Si6O24）Cl12）、銳鈦礦（TiO2）和石膏（CaSO4·2H2O），此外，還有少量的方解石（CaCO3），草酸鈣石（CaC2O4·H2O）和三水鋁石Al（OH）[243]。3種赤泥的礦物組成不同，如圖1所示。赤泥為高堿性的固體廢棄物，pH值約為10～12.5，平均粒徑lt;10 μm，比表面積為10～25 m2/g [25]。赤泥的微觀結(jié)構(gòu)主要由一級結(jié)構(gòu)-凝聚體、二級結(jié)構(gòu)-集粒體、三級結(jié)構(gòu)-團聚體，以及這些結(jié)構(gòu)之間的孔隙體積-凝聚體孔隙、集粒體孔隙、團聚體孔隙等組成[26]。

3.2.2 粉煤灰的礦物組成

粉煤灰的礦物組成取決于原煤的成分，主要受到原煤的形成、沉積的地質(zhì)條件、原煤中無機成分的組成特性的影響。粉煤灰主要由非晶相和結(jié)晶相組成。非晶相中含有大量的玻璃微珠和海綿狀玻璃體構(gòu)成的玻璃體，另外還含有少量的碳。結(jié)晶相主要是莫來石（3Al2O3·2SiO2）、石英和赤鐵礦等礦物成分[22]。粉煤灰的礦物組成如圖2所示。

3.3 赤泥與粉煤灰的顯微形貌特征

3.3.1 赤泥的顯微形貌特征

赤泥的表面微觀掃描電鏡圖如圖3所示。赤泥表面有大量的孔隙，顆粒大小不均勻，呈膠結(jié)狀連在一起[27]。

3.3.2 粉煤灰的顯微形貌特征

煤粉爐粉煤灰又稱普通粉煤灰，由煤粉爐燃燒產(chǎn)生。煤粉爐一般使用細度低于100 μm的煤粉作為燃料，產(chǎn)生的粉煤灰的形貌采用JEM-2000FX型透射電子顯微鏡觀察，如圖4所示。

循環(huán)流化床鍋爐粉煤灰由循環(huán)流化床鍋爐燃燒產(chǎn)生。循環(huán)流化床鍋爐一般使用顆粒狀的煤作為燃料，圖5分別展示了循環(huán)流化床鍋爐粉煤灰樣品在300倍和1 000倍掃描電子顯微鏡下的形貌。

從圖4和圖5可以看出：煤粉爐粉煤灰和循環(huán)流化床鍋爐粉煤灰的顯微形貌有著明顯的區(qū)別，其中煤粉爐粉煤灰樣品中有較多的球形顆粒及不規(guī)則顆粒的吸附或熔結(jié)，存在狀態(tài)大多數(shù)為非晶態(tài)玻璃相;而循環(huán)流化床鍋爐粉煤灰樣品為體積和形狀各異的顆粒，顆粒粒級為幾微米至50 μm，顆粒之間空隙相對較大，分布不集中，也無玻璃體球形顆粒。

4 赤泥-粉煤灰協(xié)同利用研究現(xiàn)狀

4.1 赤泥、粉煤灰在建筑工程中的應(yīng)用

4.1.1 赤泥、粉煤灰用于制備地聚物

地聚物屬于硅鋁無機聚合物，擁有能耗與碳排放量低、力學性質(zhì)優(yōu)異等優(yōu)點。目前，國內(nèi)外已有將偏高嶺土、粉煤灰、礦渣、尾礦等材料用于合成地聚物的相關(guān)研究。在這些材料中，低鈣粉煤灰是生產(chǎn)地聚物混凝土最理想的原料之一。但是，如果低鈣粉煤灰在常溫環(huán)境下用于合成地聚物，就會有強度、反應(yīng)度低等問題。因此，國內(nèi)外學者在粉煤灰中加入偏高嶺土或者利用高溫養(yǎng)護的手段來提高其反應(yīng)速率的研究，可是這兩種方法會大大提升利用粉煤灰合成地聚物的成本，并且降低了材料的可持續(xù)性，所以不具有可行性。赤泥中含有豐富的硅鋁礦物和殘留的氫氧化鈉，利用赤泥作為合成原料可以部分代替堿激發(fā)溶液中的氫氧化鈉[28]。張默等[29]在低鈣粉煤灰中摻入了20%赤泥制備地聚物，研究其力學性質(zhì)，并通過SEM、EDS等分析地聚物的微觀變化。集中分析大量試驗結(jié)果，不難發(fā)現(xiàn)低鈣粉煤灰基地聚物的力學性質(zhì)明顯劣于常溫養(yǎng)護的赤泥-粉煤灰基地聚物。這個結(jié)果表明，赤泥在常溫環(huán)境下合成粉煤灰基地聚物的過程中具有一定的推動性，赤泥-粉煤灰基地聚物具有很好的反應(yīng)度和更為緊實的微觀結(jié)構(gòu)。

4.1.2 赤泥、粉煤灰用于制備堿激發(fā)膠凝材料

堿激發(fā)膠凝材料是一種新型無機非金屬材料，具有眾多優(yōu)良性質(zhì)。它不僅具有雙防（防高溫和防凍）屬性，同時還有耐酸、耐堿、耐鹽等特性，具有非常好的抗腐蝕性。將拜耳法工藝中所產(chǎn)生的赤泥協(xié)同粉煤灰等固廢用于合成堿激發(fā)膠凝材料，不但能拉動經(jīng)濟還能環(huán)保。劉龍等[30]以赤泥、粉煤灰、礦渣為主要原料制備堿激發(fā)膠凝材料，并通過正交實驗找出了赤泥、礦渣和粉煤灰的最佳比，當赤泥與粉煤灰之比為3∶1，礦渣摻量為40%，12%硅酸鈉，促硬劑為0.12A，減水劑為0.7%時，所制備的堿激發(fā)膠凝材料的力學性能較好。因此，無論是從政策環(huán)保的角度，還是從創(chuàng)造經(jīng)濟效益亦或從材料本身性能的角度來看，將赤泥、粉煤灰用于制備堿激發(fā)膠凝材料都具有極其重要的意義。

4.1.3 赤泥、粉煤灰用于制備加氣混凝土

加氣混凝土因為含有大量呈封閉狀的孔隙，所以具備隔聲、保溫和抗震等優(yōu)良性質(zhì)，是應(yīng)用非常廣泛的輕質(zhì)建筑類材料。此外，國家還有節(jié)能環(huán)保和資源回收的相關(guān)政策，使用赤泥和粉煤灰加工合成加氣混凝土不僅符合國情，而且在經(jīng)濟上起到一定的推動作用。王瑞燕等[31]以A3.5、密度級別B06的加氣混凝土為設(shè)計目標，研究了組成材料、養(yǎng)護制度對赤泥-粉煤灰加氣混凝土強度、密度的影響。分析數(shù)據(jù)表明，赤泥、粉煤灰合成加氣混凝土的強度和密度都能滿足加氣混凝土砌塊的質(zhì)量要求和建筑材料放射性核素限量要求。

4.1.4 赤泥、粉煤灰用于制備磚

1）赤泥、粉煤灰用于制備燒結(jié)磚

人們通常會使用磚與砌塊來充當建筑墻體的材料。用赤泥和粉煤灰為主要成分制作燒結(jié)磚，不僅可以減少干燥程序（相較于傳統(tǒng)黏土燒結(jié)磚），還有灰量大、成本低廉、速度快、出量高等優(yōu)點。閆愛勤等[32]指出生產(chǎn)高品質(zhì)赤泥-粉煤灰燒結(jié)磚的關(guān)鍵工藝是原材料處理、成型和燒結(jié)，大量的粉煤灰、赤泥必須與摻入10%的高溫激發(fā)材料混合均勻。由于3種物料容重差別很大，所以混合料的均化處理是粉煤灰、赤泥燒結(jié)磚優(yōu)質(zhì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。圖6為赤泥-粉煤灰燒結(jié)磚的制作工藝流程圖。實驗表明，由圖6所示工藝流程壓制成型的燒結(jié)磚與傳統(tǒng)燒結(jié)磚在外觀上并無太大區(qū)別，但有強度高、質(zhì)量小等優(yōu)點。

2）赤泥、粉煤灰用于制備免燒磚

焦占忠等[33]利用鋁廠存放的燒結(jié)法赤泥和電廠粉煤灰，添加了骨料、石灰、石膏、水玻璃制備了免燒免蒸磚，并且達到非燒結(jié)普通黏土磚標準。季文君等[34]以氧化鋁工藝產(chǎn)生的廢料赤泥及燃煤電廠的廢料粉煤灰為主要原料，摻入石膏、熟石灰等膠凝材料制備工業(yè)固廢免燒磚。實驗結(jié)果表明：在自然養(yǎng)護條件下，最佳工藝過程的參數(shù)為成型壓力20 MPa，陳化時間7 h，保壓時間30 s，免燒磚抗壓強度可達26.76 MPa，各性能均達到合格品的生產(chǎn)要求，實現(xiàn)了固廢利用，又減輕了環(huán)境負擔。

4.1.5 赤泥、粉煤灰用于制備貝利特硫鋁酸鹽水泥

貝利特硫鋁酸鹽水泥主要礦物組成為C2S和C4AF，同傳統(tǒng)水泥（硅酸鹽）相比，有“三低”優(yōu)勢，即熟料的煅燒溫度要求低、CaO含量低，對石灰石的品位要求低，符合節(jié)能減排要求。此外，對比硫鋁酸鹽水泥，貝利特硫鋁酸鹽水泥對鋁礬土需量低，品質(zhì)要求也不高，還能將排出的廢渣循環(huán)利用，經(jīng)濟效益高。貝利特水泥的后期強度發(fā)展較好，具有水化熱低、耐蝕、干縮小等優(yōu)良性能，適合制備高性能混凝土[35-38]。趙艷榮等[39]的實驗表明：赤泥的摻入能降低熟料的燒成溫度，一定量赤泥的摻入能促進C4A3S礦物的形成，提高水泥的抗壓強度;當赤泥摻量超過8%（質(zhì)量分數(shù)）時，會引起抗壓強度的下降;當赤泥摻量為4%（質(zhì)量分數(shù)）時，所制水泥的28 d抗壓強度達到48.9 MPa。因此，赤泥、粉煤灰在水泥的生產(chǎn)中也具有良好的應(yīng)用前景。

4.2 赤泥、粉煤灰在環(huán)境保護中的應(yīng)用

4.2.1 赤泥和粉煤灰水熱合成方沸石

以赤泥、粉煤灰合成方沸石，因其內(nèi)部的特殊（架狀和孔道）結(jié)構(gòu)，所以有離子吸附性和離子交換性，可以用于解決污水處理、氣體凈化（CO2等）等污染問題。利用赤泥、粉煤灰合成方沸石具有一定的可行性，主要是因為赤泥中含有氧化硅、氧化鋁、氧化鈉等活性組分，所以有合成方沸石的潛力。但是赤泥中氧化鐵的含量頗高，導致方沸石硅鋁骨架中的鋁離子被鐵離子替代從而引起晶架畸形，最后合成的方沸石質(zhì)量不高，結(jié)晶度不佳。另外，由于赤泥中的氧化硅含量偏少，可以加入同為固廢的粉煤灰，從而得到合成方沸石所需的硅鋁比。這樣一方面能提供活性SiO2從而減少水玻璃的用量;另一方面則可以降低Fe2O3含量，同時減弱其帶來的副作用。王吉祥等[40]選擇赤泥與粉煤灰復合比例3∶7，將配比好的粉煤灰和赤泥與一定濃度的NaOH加水玻璃激發(fā)劑混合攪拌，攪拌好后的漿料澆筑在模具中，在60 ℃下密封養(yǎng)護12 h，得到合成沸石的前驅(qū)體原料（鋁硅酸鹽凝膠）;然后再將凝膠塊置于不銹鋼反應(yīng)釜的聚四氟乙烯內(nèi)襯中，并加入適量的水，在設(shè)定溫度下晶化一定的時間，便得到相應(yīng)的反應(yīng)產(chǎn)物。實驗結(jié)果表明，水熱反應(yīng)溫度≥150 ℃，水熱反應(yīng)時間在24 h時，所得方沸石結(jié)晶度良好。

4.2.2 赤泥和粉煤灰制備聚合氯化鋁鐵絮凝劑

我國使用的凈水劑主要是以無機絮凝劑為主，不僅消耗量大，而且凈水能力相對較弱。聚合氯化鋁鐵絮凝劑是該領(lǐng)域的重要替代產(chǎn)品，國內(nèi)工業(yè)用水、城市給水、污水處理所需的絮凝劑達到1 Mt/a，且每年以20%的速度遞增，因此用赤泥和粉煤灰制備聚合氯化鋁鐵絮凝劑有較大的市場潛力[41]。朱秀珍等[42]采用酸堿聯(lián)合法，以赤泥、粉煤灰為原料制備聚合氯化鋁鐵絮凝劑和SiO2，殘渣可以生產(chǎn)建筑材料。酸堿聯(lián)合法制備聚合氯化鋁鐵絮凝劑和SiO2的工藝流程如圖7所示。實驗所制備的聚合氯化鋁鐵絮凝劑在水樣中生成的沉淀絮片大、沉降快、水樣濁度低、效果好。絮凝劑的各項性能比較見表6。因此赤泥粉煤灰在此方向有不錯的應(yīng)用前景。

4.2.3 赤泥和粉煤灰處理磷石膏堆場廢水

磷石膏產(chǎn)量巨大，是磷酸生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的一種工業(yè)副產(chǎn)品，也是工業(yè)固廢之一。磷石膏pH值約為1.5～4.5，呈酸性，含有磷酸及其他雜質(zhì)在內(nèi)。目前，磷石膏主要的處置方式和赤泥一樣，都是以露天堆置為主，環(huán)境污染嚴重。赤泥與粉煤灰同樣也是物量極大的固廢，呈堿性，且赤泥與粉煤灰的比表面積、孔隙率大。因此，利用這兩種固廢來處理含磷廢水有一定可行性。安全等[43]在赤泥和粉煤灰處理磷石膏堆場廢水的方案篩選及評價中，采用正交設(shè)計法進行設(shè)計，利用SPSS軟件進行結(jié)果分析，最終結(jié)果表明：降低可溶性磷酸鹽含量的最佳方案為赤泥1.60 g，粉煤灰0.80 g，水樣100 mL，時間4 d;提高pH的最佳方案為赤泥1.60 g，粉煤灰0.40 g，水樣100 mL，時間3 d。利用赤泥和粉煤灰處理磷石膏堆場廢水，不僅解決了廢水的污染問題，同時也給赤泥和粉煤灰的協(xié)同資源化利用開辟了新的道路。

4.3 赤泥、粉煤灰在陶瓷方面的應(yīng)用

赤泥和粉煤灰中含有硅、鋁、鐵和鈣等元素，可作為陶瓷制備的優(yōu)良原料。由于其粒徑較細，有利于破碎和研磨，可節(jié)省時間。冉紅濤等[44]通過先低溫發(fā)泡成型后高溫煅燒的工藝，制備了赤泥、粉煤灰添加量超90%的可用于廢水除油濾料的泡沫陶瓷，并且為了提高其除油效果，用KH-550進行表面氨基改性，改性泡沫陶瓷60 min內(nèi)除油效果約為80%。稀土在工業(yè)上有著強大的需求及廣泛的應(yīng)用，尤其高尖端電子產(chǎn)品離不開稀土。稀土是必不可少且理應(yīng)充分利用的戰(zhàn)略資源，但目前國內(nèi)稀土資源利用率低、利用不均等問題嚴重，造成了不必要的資源浪費。王杰等[45]利用赤泥與粉煤灰為主要原料，通過添加造孔劑來制備赤泥粉煤灰多孔陶瓷;在多孔陶瓷表面負載稀土La進行改性，制備了La負載赤泥-粉煤灰基多孔陶瓷。實驗結(jié)果表眀：赤泥和粉煤灰比例為8∶2，造孔劑添加量40%，在1 020 ℃下燒結(jié)，保溫60 min，制備的多孔陶瓷的氣孔率為52.5%，體積密度為1.83 g/cm3，碎裂應(yīng)力為121.26 N，稀土負載量為1.61%，對Cr（Ⅵ）吸附量為0.405 6 mg/g。

5 結(jié)論

1）國內(nèi)赤泥和粉煤灰的排放量仍在逐年遞增，大量的固廢堆置在露天場所，對環(huán)境造成了巨大的污染，是目前國內(nèi)亟待解決的一大難題。赤泥和粉煤灰的協(xié)同利用能在一定程度上緩解固廢問題，將工業(yè)固廢變?yōu)椤俺鞘袑毜V”，不僅能夠提高經(jīng)濟效益，還可以減少環(huán)境污染，還我們一片“青山綠水”，具有非常重要的現(xiàn)實意義。但是，我們在赤泥與粉煤灰的協(xié)同利用方面目前僅處于起步階段，與國際領(lǐng)先水平相比有著明顯差距。因此，國內(nèi)更迫切需要增加該領(lǐng)域內(nèi)的科研力量和經(jīng)費投入，并提高學者的科研創(chuàng)新能力。

2）赤泥和粉煤灰各種形式的協(xié)同利用，包括本文概括的建筑方面和環(huán)境保護方面等，雖然都有一定的資源化利用成果出現(xiàn)，但是不管是制備磚和砌塊、地聚物、加氣混凝土、膠凝材料、水泥，還是陶瓷或處理污水等，都沒有實現(xiàn)大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化和工業(yè)化。

3）通過對比分析發(fā)現(xiàn)，限制赤泥和粉煤灰協(xié)同利用并且沒有實現(xiàn)工業(yè)化的原因可能是不同地區(qū)的赤泥的化學成分不同。氧化鋁生產(chǎn)工藝的不同導致赤泥含堿性高，含放射性等，這些因素對赤泥和粉煤灰的大規(guī)模利用起著制約作用。

參考文獻：

[1]高天明， 楊沁東， 代濤. 氧化鋁不同生產(chǎn)工藝資源環(huán)境效率比較[J]. 中國礦業(yè)， 2018（1）： 83-88.

[2] LIANG G J， CHEN W M， NGUYEN A V， et al. Red mud carbonation using carbon dioxide： Effects of carbonate and calcium ions on goethite surface properties and settling[J]. Journal of Colloid and Interface Science， 2018， 517： 230-238.

[3] KHAIRUL M A，ZANGANEH J，MOGHTADERI B.The composition， recycling and utilisation of Bayer red mud[J]. Resources， Conservation and Recycling， 2019， 141： 483-498.

[4] 李儒軒， 李霞， 周風嬌. 粉煤灰資源化的利用現(xiàn)狀[J]. 科技經(jīng)濟導刊， 2019， 27（36）： 82-84.

[5] WANG S H， JIN H X， DENG Y， et al. Comprehensive utilization status of red mud in China： a critical review[J]. Journal of Cleaner Production， 2020， 289（11）： 125-136.

[6] LIU D Y， WU C S. Stockpiling and comprehensive utilization of red mud research progress[J]. Materials， 2012， 5（7）：1232-1246.

[7] 霍云波. 2019上半年氧化鋁市場分析報告[J]. 中國有色金屬， 2019（16）：40-43.

[8] 王健月. 我國赤泥綜合利用現(xiàn)狀及發(fā)展前景[C]//第五屆尾礦與冶金渣綜合利用技術(shù)研討會論文集. 北京： 中國硅酸鹽學會， 2014： 198-205.

[9] ZHANG T A， WANG Y X， LU G Z， et al. Comprehensive utilization of red mud： current research status and a possible way forward for non-hazardous treatment[C]// TMS Annual Meeting amp; Exhibition. Switzerland： Springer， Cham， 2018： 135-141.

[10]姜龍. 燃煤電廠粉煤灰綜合利用現(xiàn)狀及發(fā)展建議[J]. 潔凈煤技術(shù)， 2020， 26（4）： 31-39.

[11]觀研報告網(wǎng). 2018年我國粉煤灰行業(yè)產(chǎn)量高居世界第一 未來仍會保持增長趨勢[EB/OL]. （2018-11-20）[2021-09-09]. http：//free.chinabaogao.com/huagong/201811/11203QG32018.html.

[12]GOLLAKOTA A， VOLLI V， SHU C M . Progressive utilisation prospects of coal fly ash： a review[J]. Science of the Total Environment， 2019， 672： 951-989.

[13]南相莉， 張延安， 劉燕， 等.我國主要赤泥的種類及其對環(huán)境的影響[J]. 過程工程學報， 2009， 9（1）： 459-463.

[14]張廣， 賈廷耀， 萬山.粉煤灰分類及其在混凝土中的應(yīng)用[J]. 國外建材科技， 2007（2）： 24-26.

[15]陳旭紅， 蘇幕珍， 殷大眾， 等.粉煤灰分類與結(jié)構(gòu)及活性特點[J]. 水泥， 2007， 6（2）： 8-12.

[16]曹建亮. 赤泥高效利用與環(huán)境能源催化[M]. 北京： 化學工業(yè)出版社， 2017： 2-3.

[17]WANG P， LIU D Y. Physical and chemical properties of sintering red mud and Bayer red mud and the implications for beneficial utilization[J]. Materials， 2012， 5（10）：1800-1810.

[18]韓玉芳， 楊久俊， 王曉， 等. 燒結(jié)法和拜耳法赤泥的基本特性對比及利用價值研究[J]. 材料導報， 2011， 25（22）： 122-125.

[19]顧漢念， 王寧， 劉世榮， 等. 燒結(jié)法赤泥的物質(zhì)組成與顆粒特征研究[J]. 巖礦測試， 2012， 31（2）： 312-317.

[20]李彬， 張寶華， 寧平， 等. 赤泥資源化利用和安全處理現(xiàn)狀與展望[J]. 化工進展， 2018， 37（2）： 714-723.

[21]李彬， 王枝平， 曲凡， 等. 赤泥中有價金屬的回收現(xiàn)狀與展望[J]. 昆明理工大學學報， 2019， 44（2）： 2-10.

[22]王迪， 喬亮， 龔浩， 等. 粉煤灰資源化綜合利用研究現(xiàn)狀[J]. 現(xiàn)代礦業(yè)， 2021， 37（5）： 18-20.

[23]劉全， 白志民， 王東， 等. 我國粉煤灰化學成分與理化性能及其應(yīng)用分析[J]. 中國非金屬礦工業(yè)導刊， 2021（1）： 1-9.

[24]LIU Z B， LI H X. Metallurgical process for valuable elements recovery from red mud： a review[J]. Hydrometallurgy， 2015， 155： 29-43.

[25]WANG S B， ANG H M， TAD M O. Novel applications of red mud as coagulant， adsorbent and catalyst for environmentally benign processes[J]. Chemosphere， 2008， 72（11）： 1621-1635.

[26]位朋， 李惠萍， 靳蘇靜， 等. 氧化鋁赤泥用于工業(yè)煙氣脫硫的研究[J]. 化工進展， 2011，30（增刊1）： 344-347.

[27]高燕， 王克勤， 王皓， 等. 鹽酸浸出赤泥中鋁的試驗研究[J]. 濕法冶金， 2014， 33（3）： 188-191.

[28]NUGENT R， ZHANG G， GAMBRELL R. Effect of exopolymers on the liquid limit of clays and its engineering implications[J/OL]. Transportation Research Record： Journal of the Transportation Research Board， 2009： 34-43[2021-09-09]. https：//sci-hub.se/10.3141/2101-05.

[29]張默， 王詩彧. 常溫制備赤泥-低鈣粉煤灰基地聚物的試驗和微觀研究[J]. 材料導報， 2019， 33（6）： 980-985.

[30]劉龍， 黃莉美， 王愛貞， 等.赤泥-粉煤灰-礦渣堿激發(fā)膠凝材料性質(zhì)的研究[J]. 洛陽理工學院學報， 2012， 22（1）： 13-20.

[31]王瑞燕， 丘濤. 赤泥-粉煤灰加氣混凝土制備研究[J]. 新型建筑材料， 2011， 38（6）： 31-34.

[32]閆愛勤， 付蓓， 王曄紅， 等. 粉煤灰、赤泥生產(chǎn)燒結(jié)磚的研究[J]. 磚瓦世界， 2009（9）： 34-36.

[33]焦占忠， 邢國. 利用工業(yè)廢渣赤泥和粉煤灰研制免蒸免燒磚[J]. 輕金屬， 1996（6）： 16-19.

[34]季文君， 劉云， 李哲. 赤泥及粉煤灰制備免燒磚的工藝探究[J]. 中北大學學報， 2019， 40（6）： 568-572.

[35]MARTN-SEDEO M C， CUBEROS A J M， DE LA TORRE G， et al. Aluminum-rich belite sulfoaluminate cements： clinkering and early age hydration[J]. Cement amp; Concrete Research， 2010， 40（3）： 359-369.

[36]要秉文， 梅世剛， 羅永會， 等. 高貝利特硫鋁酸鹽水泥的熟料煅燒及其強度[J]. 硅酸鹽通報， 2008， 27 （3）： 601-605.

[37]要秉文， 梅世剛， 宋少民. 石膏對高貝利特硫鋁酸鹽水泥水化的影響[J]. 武漢理工大學學報， 2009， 31（7）： 1-4.

[38]QUILLIN K. Performance of belite-sulfoaluminate cements[J]. Cement amp; Concrete Research， 2001， 31（9）： 1341-1349.

[39]趙艷榮， 陳平， 韋懷珺， 等. 利用粉煤灰、拜耳法赤泥制備貝利特硫鋁酸鹽水泥[J]. 桂林理工大學學報， 2015， 35（3）： 581-584.

[40]王吉祥， 李麗， 劉澤， 等. 粉煤灰復合赤泥水熱合成方沸石的研究[J]. 硅酸鹽通報， 2019， 38（7）： 1977-1982.

[41]胡勇有， 涂傳青. 羥基聚合氯化鋁鐵溶液的形態(tài)分布特征[J]. 環(huán)境科學學報， 2000， 20（5）： 608-611.

[42]朱秀珍， 孫建之. 用赤泥和粉煤灰制備聚合氯化鋁鐵絮凝劑和SiO2[J]. 化工環(huán)保， 2012， 32（5）： 444-447.

[43]安全， 劉方， 楊愛江， 等. 赤泥及粉煤灰處理磷石膏堆場廢水的方案篩選及評價[J]. 環(huán)境科學導刊， 2011， 30（3）： 67-70.

[44]冉紅濤， 涂姝臣， 李沖， 等. 赤泥-粉煤灰泡沫陶瓷的制備和除油效果研究[J]. 材料熱處理學報， 2016， 37（3）： 30-35.

[45]王杰， 鄧偉超， 麻永林， 等. Lα負載赤泥-粉煤灰基多孔陶瓷制備研究[J]. 礦冶工程， 2019， 39（5）： 123-128.

（責任編輯：周曉南）

Study on the Characteristics and Collaborative Utilization

of Red Mud and Fly Ash Resources

JIN Huixin*， WANG-SHANG Jiefu， XIAO Yuandan， GUO Yuliang， SONG Huahao

（College of Materials and Metallurgy， Guizhou University， Guiyang 550025， China）

Abstract：

Red mud is a solid waste containing high alkaline generated after a series of physical and chemical reactions in the industrial production of alumina. Fly ash is a small granular solid waste produced by the coal-fired power generation of power plants， which belongs to the bulk industrial solid waste residue like red mud.Not only do both have huge emissions causing environmental pollution， but they also have serious effects on people’s lives. The collaborative use of these two solid waste residues can not only alleviate environmental pollution， but also create economic benefits. This paper introduces the characteristics of both and the current utilization of red mud-fly ash， and summarizes the prospect of red mud-fly ash collaborative utilizatio.

Key words：

red mud; fly ash; emissions; characteristics; collaborative utilization

金會心，女，1972年生，博士，教授，博士生導師。貴州省優(yōu)秀青年科技人才培養(yǎng)對象，中國有色金屬學會冶金物理化學學術(shù)委員會、中國有色金屬學會冶金反應(yīng)工程學專業(yè)委員會、中國金屬學會冶金反應(yīng)工程學術(shù)委員會委員。貴州大學冶金學科和冶金專業(yè)負責人。主要從事輕金屬冶金、資源綜合利用等方面的研究工作。主持國家自然科學基金（地區(qū)項目）3項，省部級科研項目10項，獲國家授權(quán)專利10件;發(fā)表學術(shù)論文40篇 ，其中11篇被SCI/EI收錄。獲貴州省第二屆青年人才創(chuàng)新獎1項，貴州省科技進步一等獎1項（排名第三），貴州省科技進步三等獎1項（排名第二）。主持校級教改項目1項，發(fā)表教改論文6篇。