李 新

(湖南節(jié)能評價技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410083)

隨著逐漸深入的國內(nèi)電解鋁供給側(cè)改革和國外氧化鋁產(chǎn)能的明顯增加，中國經(jīng)濟的放緩導致鋁需求減少，同時暫未出現(xiàn)新興國家拉動新需求，氧化鋁行業(yè)迎來了“寒冬”，其高利潤時代即將成為歷史。數(shù)十年來氧化鋁的生產(chǎn)工藝無明顯變化，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)帶來新的“春風”，成為下一個利潤生長點。

我國非常重視赤泥的綜合利用工作。2010年國家工信部和科技部聯(lián)合編制了《赤泥綜合利用指導意見》，就提高赤泥的綜合利用率與技術(shù)水平給出了指導性意見，鼓勵攻關(guān)和研發(fā)關(guān)鍵共性技術(shù)，推廣赤泥應用和示范工程。2016年國務院印發(fā)了《“十三五”生態(tài)環(huán)境保護規(guī)劃》，明確提出“到2020年，全國工業(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，赤泥實現(xiàn)大規(guī)模資源化利用雖任務艱巨但意義重大。

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，pH值高達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，同時也需要企業(yè)承擔高昂的維護管理費用，導致制鋁成本的提升，也給赤泥壩周圍的環(huán)境安全和人民群眾的生命財產(chǎn)安全埋下隱患。國內(nèi)外相繼發(fā)生多起氧化鋁廠赤泥庫泄露等環(huán)保事故，引起政府機構(gòu)和相關(guān)市場人士高度重視，越來越多的普通民眾開始關(guān)注赤泥對環(huán)境的危害，例如對土地資源的占用，對大氣、土壤和水體的污染，對建構(gòu)筑物表面的腐蝕等[2]。資源利用、環(huán)境保護和民生安全等多方面，均對赤泥綜合利用提出了要求。

赤泥的獨特理化性質(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)保等領域的優(yōu)勢，經(jīng)過適當?shù)母牧己吞幚砗?，可以被充分地利用，在環(huán)境和經(jīng)濟方面，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致資源回收難度大，當前國內(nèi)外對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)量分數(shù)為14%～45%，目前國內(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。朱德慶等開發(fā)了碳酸鈉焙燒還原-磁選法，結(jié)果表明在適當條件下，整體鐵回收率可達到95.76%，回收后殘渣可繼續(xù)利用，如提取其他有價組分、制備其他材料等，提高赤泥的整體利用率，達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。姜平國等[5]通過球磨、酸浸、萃取離子交換分離等步驟，可實現(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，山西開興赤泥開發(fā)有限公司對其原理及工藝開展了深入研究并進行了相關(guān)試驗化生產(chǎn)，試驗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

國內(nèi)外研究和實踐表明，赤泥可作為配料生產(chǎn)不同型號水泥。通過于水泥廠合作，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。我國山東鋁廠在建廠初期就開始了針對赤泥的相關(guān)研究，上世紀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。山東淄博天之潤生態(tài)科技有限公司實施了赤泥透水磚項目，該項目利用赤泥大規(guī)模生產(chǎn)透水磚，摻配率高達90%，年耗赤泥7萬噸。中國長城鋁業(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、強度高，符合國家建材改革的方向。

長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。通過混合赤泥、粉煤灰和石灰制得充填料用于礦山開采，并通過工業(yè)化試驗證明充填體強度滿足采礦要求[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，在消納赤泥的同時降低了原料費，對降低環(huán)境污染、減少固廢壓力、實現(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發(fā)路面基層材料，投資少經(jīng)濟效益好。齊建召等[10]提出了通過優(yōu)化原材料、配合比、施工工藝和加強質(zhì)量控制等措施，提升赤泥的路用材料性能，試驗研究表明通過調(diào)節(jié)配比，赤泥路基強度可滿足高等公路要求，并具有回彈值大、強度高等優(yōu)勢。

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，開發(fā)了一種高性能、低成本的新型赤泥路基，施工簡易效率高，赤泥消納量可達80%以上，具有顯著的經(jīng)濟和社會效益。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)，并已應用于北海經(jīng)濟開發(fā)區(qū)市政道路建設和濟青高速公路改擴建工程項目，成功實現(xiàn)了技術(shù)成果轉(zhuǎn)化，取得了良好的效益。2018年魏橋集團投入了2萬噸赤泥用于濟青高速濱州段路基建設，長期監(jiān)測分析顯示，道路的環(huán)?？煽匦院凸こ藤|(zhì)量可行性均符合預期。

據(jù)測算，各級道路消納赤泥量如表1所示，這對于幅員遼闊，公路里程巨大的我國，意義重大；對于赤泥產(chǎn)業(yè)的市場發(fā)展，前景廣闊[12]。

表1 各級道路消納赤泥量

2.4 用于污染防治和環(huán)境修復

通過改良赤泥的化學及物理性質(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[1]。

在水處理方面，可利用赤泥的強堿性特點，中和酸性污染水，但需注意赤泥中重金屬元素對水源的二次污染問題。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物、陰離子等。為增強赤泥對水中污染物的吸附能力以及避免使用過程中的再污染問題，赤泥需通過酸化、熱活化、酸熱綜合等方式進行活化[13]。此外，可利用赤泥中鐵、鋁含量較高的特點，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、價格低廉的優(yōu)勢，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、流程簡單等優(yōu)點；赤泥還可以作為催化劑處理廢氣，對碳氧化物、氮氧化物等具有較高的轉(zhuǎn)化率，但需進一步研究其催化與活化原理。

在土壤改良和修復方面，主要是利用赤泥的強堿性，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劑中，用于修復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)的赤泥硅鈣復合肥，產(chǎn)品中赤泥配比達80%[15]。

3 赤泥綜合利用展望

為了貫徹落實相關(guān)綠色循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展要求，針對赤泥的開拓性研究勢在必行。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，未來應從轉(zhuǎn)換利用或簡單回收向高附加值利用方式轉(zhuǎn)變，并對利用后的赤泥進行安全處置研究，避免二次污染。

李彬等[3]認為，考慮我國大氣污染現(xiàn)狀和特點，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行煙氣脫硫并回收鋁、鐵、鈦等金屬元素，降低環(huán)境風險，防止土壤和地下水污染，然后再用于土壤或建材方面進行無害化處置，最大化實現(xiàn)赤泥的減量化、資源化和無害化，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]提出未來赤泥研究與開發(fā)方向應該是多方法綜合回收赤泥中的有價組分，考慮我國國情和赤泥的特點，未來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量而定，最終達到節(jié)能、減排、經(jīng)濟、環(huán)保和有效的目的。

劉中凱等[16]則從生態(tài)修復的角度給出了赤泥規(guī)?；幹玫挠行緩胶桶l(fā)展趨勢。他們針對華北地區(qū)典型拜耳法赤泥開展了赤泥土壤修復和耐性作物(紫花苜蓿，狗牙根，堿蓬和巨菌草)種植擴大實驗，修復后使赤泥土壤肥力達到了旱地I級標準，可滿足耐性作物的生長要求。同時從堆場赤泥中成功篩選了兩種耐鹽堿微生物菌株，利用菌株修復赤泥，可顯著降低赤泥堿性，提高赤泥中大顆粒團聚體比例。此項 “赤泥原位無土修復技術(shù)” 為赤泥堆場規(guī)?；鷳B(tài)處置提供了技術(shù)支撐，具有良好的環(huán)境、經(jīng)濟和社會效益，對企業(yè)和國家的綠色發(fā)展具有重要意義。

4 結(jié)語

組成決定特性，特性決定用途，“廢物”可能是放錯了位置的資源，關(guān)鍵在于找到有效的利用方法和途徑。目前，環(huán)境和資源的問題日益突出，是我們在發(fā)展過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)揮二次材料的價值，實現(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”，同時注意赤泥利用過程中二次污染和環(huán)保問題，是未來我國綠色發(fā)展的著力點。