陳蛟龍 劉 偉 石存蘭 李 恒 杜 程 張丹桐

(中國(guó)建筑材料工業(yè)規(guī)劃研究院)

赤泥是鋁土礦生產(chǎn)氧化鋁過(guò)程中排出的強(qiáng)堿性廢渣，因其Fe2O3含量大，外觀與赤色泥土相似而得名。一般來(lái)講，赤泥中主要化學(xué)成分為Al2O3、SiO2、Fe2O3和CaO，占到60%以上，此外還有一定量的Na2O、Ti2O等。因生產(chǎn)工藝的不同，赤泥分為拜耳法赤泥、燒結(jié)法赤泥和聯(lián)合法赤泥，不同類(lèi)別赤泥化學(xué)成分組成有所差異，如燒結(jié)法赤泥中CaO含量較大，而拜耳法赤泥中Fe2O3含量較大[1]。

除主要組成成分外，赤泥中含有一定量的有害雜質(zhì)，包括鈉堿、重金屬元素、放射性元素等。鈉堿是赤泥中的主要有害雜質(zhì)，分為可溶性堿與化學(xué)結(jié)合堿，可溶性堿易溶于赤泥漿體中形成游離的鈉離子；化學(xué)結(jié)合堿溶解度較低，穩(wěn)定固結(jié)于赤泥中。赤泥中的鈉堿一方面會(huì)對(duì)地下水、海洋生物、大氣環(huán)境等造成污染，以及對(duì)人體造成危害，另一方面也會(huì)影響建筑物強(qiáng)度，從而制約赤泥的綜合利用，如赤泥制成的建材產(chǎn)品表面會(huì)出現(xiàn)“泛白”問(wèn)題，主要是由于其中的可溶性鈉堿析出所致，影響產(chǎn)品性能。除鈉堿外，赤泥中的重金屬元素、放射性元素等雜質(zhì)含量較低，對(duì)其綜合利用影響較小。

圖1 赤泥中的堿性成分

因礦石品位、技術(shù)水平和生產(chǎn)方法的不同，赤泥的產(chǎn)出量也不近相同，大約每生產(chǎn)1t氧化鋁要排放1.0～1.8t的赤泥。我國(guó)是世界上氧化鋁生產(chǎn)第一大國(guó)，2019年氧化鋁產(chǎn)量7 230.16萬(wàn)噸，伴隨產(chǎn)生的赤泥將近1億噸，累計(jì)堆存量超過(guò)13億噸，占地超過(guò)12萬(wàn)畝。目前，赤泥的綜合利用率非常低，大量的赤泥主要是以筑壩堆存為主，不僅占用大量土地，還對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重破壞，引起地表及地下水污染、土壤堿化等。

1 赤泥綜合利用技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 赤泥回收鐵

赤泥中Fe2O3含量較高，目前，國(guó)內(nèi)赤泥回收鐵的技術(shù)主要包括直接分選、還原焙燒、浸出提取等[2]。直接分選中強(qiáng)磁選技術(shù)工藝是目前赤泥回收鐵應(yīng)用最廣泛的生產(chǎn)工藝，廣西信發(fā)鋁電有限公司、中鋁廣西分公司、山東魏橋創(chuàng)業(yè)集團(tuán)有限公司等公司均采用此生產(chǎn)工藝回收赤泥中的鐵。

1.1.1 直接分選

直接分選包括磁選和重選。磁選法是依據(jù)赤泥中鐵主要以弱磁性赤鐵礦形式存在的原理進(jìn)行磁選分離富集鐵精礦，采用的設(shè)備主要是SLon立環(huán)脈動(dòng)高梯度磁選機(jī)或超導(dǎo)高梯度磁分離系統(tǒng)(HGSMS)；重選法是依據(jù)赤泥顆粒粒徑細(xì)小、微細(xì)粒含量高、不同礦粒密度的差異特征進(jìn)行粒徑分級(jí)和重選富集鐵，工藝不用高強(qiáng)度的磁選設(shè)備，但是需要進(jìn)行分級(jí)處理，增加了處理流程。

1.1.2 還原焙燒

還原焙燒是指通過(guò)添加還原劑對(duì)赤泥進(jìn)行焙燒處理，使其中的赤鐵礦發(fā)生還原反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)榇判暂^強(qiáng)的磁鐵礦或單質(zhì)鐵，隨后容易通過(guò)一般性的磁選富集回收鐵。目前，赤泥還原焙燒的還原劑主要有煤系還原劑(碳粉、煙煤、石墨粉、焦炭等)、氣體還原劑(CO、H2等)、生物質(zhì)還原劑和黃鐵礦等。其中，使用煤系還原劑屬于傳統(tǒng)的碳熱還原過(guò)程，需要對(duì)赤泥進(jìn)行造粒、制塊，對(duì)處理高鐵赤泥具有一定的優(yōu)勢(shì)；使用氣體還原劑可直接與赤泥粉體進(jìn)行反應(yīng)，但是在高溫下才能夠反應(yīng)徹底，低溫下能夠得到磁鐵礦組分；使用生物質(zhì)還原劑，反應(yīng)溫度要低于煤系還原劑，但是反應(yīng)過(guò)程在惰性氣體氛圍下進(jìn)行，對(duì)反應(yīng)條件的控制方面要求嚴(yán)格；使用黃鐵礦作為還原劑回收赤泥中鐵用量相對(duì)較少，該方面研究較少。

1.1.3 浸出提取

浸出提取是以酸液為浸出劑對(duì)赤泥中鐵進(jìn)行浸出，然后采用堿液沉淀鐵離子，最后經(jīng)焙燒、水洗后得到鐵。雖然浸出提取的能耗比還原-磁選法要低，但鐵在酸中的溶出時(shí)間長(zhǎng)、溶出率低，還需要進(jìn)行后續(xù)與Al、Ti分離凈化操作。該方面研究相對(duì)較少。

1.2 赤泥制備建筑材料

1.2.1 水泥

赤泥含有大量的硅酸鹽，尤其是燒結(jié)法赤泥含有大量β-硅酸二鈣，以赤泥為主要原料制備水泥或?qū)⑵渥鳛樘砑觿┗罨?，所得到的產(chǎn)品抗壓強(qiáng)度等性能均優(yōu)于普通水泥。中鋁山東分公司建成綜合利用赤泥的大型水泥廠，已運(yùn)營(yíng)多年，通過(guò)技術(shù)的改造革新，水泥生料中赤泥的配比由20%～38.5%提高到45%，同時(shí)提高了水泥的質(zhì)量，由原來(lái)以生產(chǎn)425水泥為主轉(zhuǎn)變成為以生產(chǎn)525水泥為主[3]。

1.2.2 燒結(jié)磚

赤泥燒結(jié)磚是以赤泥為主要原料，以頁(yè)巖、爐渣等為輔料，采用“低溫慢燒”技術(shù)，使用一次性碼燒工藝，經(jīng)混合攪拌、成型干燥、低溫慢燒等工序制成。該技術(shù)已在山東魏橋創(chuàng)業(yè)集團(tuán)有限公司實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，年利用赤泥可達(dá)15萬(wàn)噸。

1.2.3 透水磚

赤泥透水磚是以赤泥(含量50%以上)、尾礦等工業(yè)廢渣為主要原材料，經(jīng)混合攪拌、加壓成型、高溫焙燒等工序制成，可根據(jù)用戶需求生產(chǎn)鋪路磚、廣場(chǎng)磚、六角磚、異型磚、植草磚、護(hù)坡磚等不同型號(hào)。目前，山東淄博市已建成赤泥生產(chǎn)透水磚的生產(chǎn)線，年處理赤泥7萬(wàn)噸。

1.3 赤泥制備路基材料

赤泥制備路基材料是使用改性固化劑對(duì)赤泥進(jìn)行改性處理，促使該材料顆粒之間電荷中和、吸附架橋、機(jī)械壓實(shí)，從而使赤泥路基材料形成路用性能可靠、污染性指標(biāo)可控的優(yōu)質(zhì)低成本路用填筑材料。該改性固化劑由工業(yè)廢渣磷石膏、調(diào)節(jié)劑和穩(wěn)定劑按一定比例混合而成，利用固體廢棄物之間互補(bǔ)的化學(xué)特性，通過(guò)對(duì)活性物質(zhì)的激發(fā)實(shí)現(xiàn)對(duì)赤泥的固化。

該產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于新建及改擴(kuò)建公路的路基填筑材料，高速公路、國(guó)道、省道等公路底基層的填筑材料，建筑、廠礦、港口及貨場(chǎng)基礎(chǔ)的填筑材料。目前，該產(chǎn)品已存在多個(gè)應(yīng)用案例，技術(shù)較為成熟，如，濱州北海靜脈產(chǎn)業(yè)園主干路建設(shè)、濱州北海市政路網(wǎng)建設(shè)、濟(jì)青高速改擴(kuò)建等項(xiàng)目中均有采用該產(chǎn)品。

2 重點(diǎn)發(fā)展方向

2.1 赤泥脫堿處理

目前，拜耳法赤泥的脫堿方法主要有水洗、酸中和、濕法碳化、鈣離子置換等。這些脫堿方法均存在一定的缺點(diǎn)，難以有效脫除赤泥的堿性成分，如水洗法只能夠有效脫除可溶性鈉堿，效果有限。酸中和法易造成濾網(wǎng)的堵塞。濕法碳化法脫除成本較高；鈣離子置換法能夠造成更大的渣量。因此，發(fā)展成本低、脫堿效果好的赤泥脫堿技術(shù)是赤泥資源化利用的關(guān)鍵[4]。

2.1.1 “鈣化-碳化”法脫堿

“鈣化-碳化”法脫堿是處理拜耳法赤泥的新工藝。此工藝的核心步驟是鈣化轉(zhuǎn)型和碳化分解。首先將赤泥進(jìn)行鈣化轉(zhuǎn)型，脫去其中的堿，并為后續(xù)碳化過(guò)程提供原料。轉(zhuǎn)型后的赤泥與CO2反應(yīng)(碳化分解)，再回收其中的氧化鋁。該工藝既脫除了赤泥的堿性，使其可作為生產(chǎn)建材的原料，又實(shí)現(xiàn)了鋁元素的有效回收[5]。

2.1.2 “硫酸+含鈣復(fù)鹽”法脫堿

“硫酸+含鈣復(fù)鹽”法脫堿是拜耳法赤泥快速高效低成本脫堿新工藝。此工藝是使用硫酸和含鈣復(fù)鹽對(duì)拜耳法赤泥進(jìn)行聯(lián)合脫堿，然后對(duì)脫堿赤泥進(jìn)行土壤化改良，實(shí)現(xiàn)赤泥堆場(chǎng)的原位生態(tài)修復(fù)。該工藝的赤泥脫堿率達(dá)到95%以上，浸出液成分簡(jiǎn)單，不易產(chǎn)生二次污染，容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用[6]。

2.2 環(huán)境領(lǐng)域

2.2.1 赤泥用于煙氣濕法脫硫技術(shù)

赤泥用于煙氣脫硫主要利用赤泥附著堿含量高、顆粒細(xì)小、比表面積大、疏松多孔等特點(diǎn)，能夠提高脫硫效率。工藝流程：首先將赤泥研磨后與水混合均勻，調(diào)制赤泥漿液；然后將赤泥漿液送至反應(yīng)器中，控制溫度為20～45℃，向反應(yīng)器中連續(xù)送入低濃度SO2煙氣，赤泥漿液在攪拌條件下接觸吸收低濃度SO2，得到混合赤泥漿液；然后當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)的混合赤泥漿液pH值下降到6～8時(shí)，往混合赤泥漿液中添加濃硫酸，待濃硫酸添加完畢后，升溫至80～90℃，并在攪拌條件下進(jìn)行濃硫酸分解，控制反應(yīng)終點(diǎn)pH值為1.0～1.5，停止通入低濃度SO2煙氣；最后利用濃硫酸對(duì)混合赤泥漿液分解過(guò)程中產(chǎn)生的高濃度SO2送往制硫酸工序，溶液送去液固分離后，向反應(yīng)器內(nèi)補(bǔ)充新的赤泥漿液，脫堿后的濾渣赤泥進(jìn)行綜合利用。

2.2.2 赤泥土壤化技術(shù)

赤泥土壤化技術(shù)分為三步：赤泥脫堿：將赤泥加注到模擬赤泥堆場(chǎng)的有機(jī)玻璃柱內(nèi)，再以赤泥資源化過(guò)程中產(chǎn)生的廢液(含F(xiàn)eCl3或CaCl2或兩者均有的廢液)對(duì)柱內(nèi)的赤泥進(jìn)行淋洗，得到赤泥脫堿液和脫堿后的赤泥；土壤化改良：將土壤改良劑與脫堿后的赤泥攪拌混合均勻，待混合基質(zhì)穩(wěn)定一段時(shí)間后，得到改良后的赤泥土壤基質(zhì)，對(duì)改良的赤泥土壤基質(zhì)進(jìn)行播種；脫堿液的處理：通過(guò)濃縮結(jié)晶技術(shù)對(duì)赤泥脫堿液進(jìn)行處理，經(jīng)濃縮冷卻結(jié)晶，離心過(guò)濾得到工業(yè)級(jí)氯化鈉。

2.3 建材領(lǐng)域

2.3.1 赤泥制備巖棉技術(shù)

赤泥巖棉是以赤泥為主要原材料，通過(guò)加壓制塊、固化晾干、高溫熔融、集棉成型等工藝制成的高附加值產(chǎn)品，可生產(chǎn)節(jié)能保溫巖棉系列制品，可廣泛用于工業(yè)、建筑業(yè)、農(nóng)業(yè)、船舶業(yè)等行業(yè)領(lǐng)域。

2.3.2 赤泥制備多級(jí)孔陶粒技術(shù)

赤泥多級(jí)孔陶粒是通過(guò)高溫?zé)Y(jié)在材料成型與燒結(jié)過(guò)程中材料中形成大量彼此相通或閉合氣孔的新型陶瓷材料，根據(jù)孔徑大小可以作為保溫材料、水處理濾料、催化載體等。赤泥多孔陶粒工藝流程：首先將赤泥、粉煤灰、農(nóng)林廢渣粒按比例混合均勻，加水?dāng)嚢璧玫交旌夏?，?duì)混合泥進(jìn)行造粒得到陶粒坯樣；然后對(duì)陶粒坯樣進(jìn)行干燥預(yù)熱處理，將陶粒坯樣置于溫度90～120℃條件下處理60～180min，再置于溫度350～450℃條件下恒溫處理30～60min得到預(yù)制陶粒；然后對(duì)預(yù)制陶粒進(jìn)行焙燒處理，將預(yù)制陶粒置于溫度950～1150℃條件下焙燒20～70min，隨爐冷卻得到多孔陶粒；最后將多孔陶粒加入到堿性溶液中，再加入偏鋁酸鈉并混合均勻得到陶粒處理體系，勻速升溫至陶粒處理體系的溫度到80～140℃并恒溫處理6～24h，取出陶粒并洗滌至中性，干燥至恒重即得多級(jí)孔陶粒。

2.4 其他領(lǐng)域

如赤泥制備高分子材料技術(shù)。工藝流程：將赤泥進(jìn)行烘干、分級(jí)預(yù)處理后，獲得符合粒徑要求的赤泥粉體；粉體經(jīng)高效復(fù)合改性劑有機(jī)化改性，形成吸油值、活性指數(shù)等指標(biāo)合格的赤泥填料；通過(guò)創(chuàng)新的高分子復(fù)合材料加工工藝，使用赤泥填料生產(chǎn)各種高分子聚合物制品。制成的PVC制品具有優(yōu)良的抗沖擊性能，阻燃性能和熱穩(wěn)定性能。赤泥粉體價(jià)格比輕質(zhì)碳酸鈣等低20%以上。

3 發(fā)展建議

目前，赤泥綜合利用率仍然較低，由于成本、利潤(rùn)等問(wèn)題，很多技術(shù)主要停留在實(shí)驗(yàn)室階段和小規(guī)模應(yīng)用范圍內(nèi)，尚無(wú)有效的大規(guī)模處理工藝技術(shù)，赤泥資源化利用仍是世界性難題。針對(duì)赤泥的綜合利用，本文提出以下建議。

3.1 強(qiáng)化產(chǎn)廢者責(zé)任

按照“誰(shuí)污染誰(shuí)治理、誰(shuí)排放誰(shuí)處置”的原則，壓實(shí)產(chǎn)廢企業(yè)廢物處置的責(zé)任，促使產(chǎn)廢企業(yè)提高對(duì)赤泥的重視。對(duì)于新增赤泥，將赤泥利用與企業(yè)主營(yíng)業(yè)務(wù)產(chǎn)能相掛鉤，提高赤泥運(yùn)入堆場(chǎng)的成本費(fèi)用；對(duì)于存量赤泥，加強(qiáng)對(duì)赤泥堆場(chǎng)的管理，合理制定赤泥的利用計(jì)劃，允許產(chǎn)廢企業(yè)與利廢企業(yè)采取多種靈活的合作方式處理赤泥。

3.2 加強(qiáng)政策引導(dǎo)和資金支持

建立和完善赤泥綜合利用的扶持政策，加大財(cái)政資金支持力度，建成一批對(duì)赤泥綜合利用具有指導(dǎo)性的應(yīng)用示范和推廣示范項(xiàng)目，并給予資金支持。明確赤泥綜合利用的稅收優(yōu)惠政策和優(yōu)先采用赤泥產(chǎn)品的導(dǎo)向政策。對(duì)赤泥綜合利用率高的企業(yè)在配套資源方面給予適當(dāng)?shù)墓膭?lì)優(yōu)惠。

加大對(duì)赤泥綜合利用的研發(fā)投入，鼓勵(lì)產(chǎn)廢企業(yè)與高等院校、科研院所等加強(qiáng)對(duì)赤泥綜合利用的共性關(guān)鍵技術(shù)的研究工作，開(kāi)展跨領(lǐng)域、多學(xué)科技術(shù)研究，形成多途徑、高附加值、大規(guī)模赤泥綜合利用發(fā)展格局。通過(guò)專項(xiàng)資金、銀行貸款等，促進(jìn)赤泥資源化利用先進(jìn)適用成熟技術(shù)裝備的推廣。

3.3 加強(qiáng)基礎(chǔ)研究與科技攻關(guān)，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局

進(jìn)一步組織開(kāi)展赤泥資源化利用的重大共性關(guān)鍵技術(shù)研究。在無(wú)害化處理方面，優(yōu)化赤泥的脫堿工藝，充分考慮赤泥中堿性物質(zhì)組成復(fù)雜和多種堿性物質(zhì)的賦存狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)赤泥堿性的穩(wěn)定化控制；在提取有價(jià)金屬方面，研究廣泛應(yīng)用且適應(yīng)性強(qiáng)的金屬提取方法，有效提取赤泥中的多種有價(jià)金屬，兼顧經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益；在建筑材料方面，拓寬利用途徑，推進(jìn)赤泥高附加值產(chǎn)品技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化推廣，形成赤泥建材利用的高值化、規(guī)?；⒓s化、多元化；在環(huán)境保護(hù)方面，加強(qiáng)對(duì)赤泥堆場(chǎng)的安全處置，避免造成二次污染，推進(jìn)赤泥土壤化技術(shù)和赤泥用于煙氣脫硫技術(shù)的研究。

3.4 建立赤泥綜合利用標(biāo)準(zhǔn)體系

積極研究完善赤泥綜合利用涉及領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)體系，加強(qiáng)赤泥綜合利用產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督，制定出符合實(shí)際的赤泥利用產(chǎn)品目錄，發(fā)揮應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)、導(dǎo)則、指南的技術(shù)支撐作用，進(jìn)一步規(guī)范產(chǎn)業(yè)發(fā)展，保障赤泥質(zhì)量的均勻性和穩(wěn)定性，保障赤泥綜合利用產(chǎn)品的質(zhì)量。

大力推廣赤泥綜合利用產(chǎn)品。研究國(guó)家及地方綠色建材采購(gòu)和推廣制度，將赤泥綜合利用產(chǎn)品納入采購(gòu)目錄，拓展赤泥綜合利用產(chǎn)品在項(xiàng)目建設(shè)領(lǐng)域的應(yīng)用空間；引導(dǎo)企業(yè)符合標(biāo)準(zhǔn)的赤泥綜合利用產(chǎn)品申請(qǐng)“環(huán)保標(biāo)簽”“綠色標(biāo)志”，開(kāi)展“綠色建材”評(píng)價(jià)認(rèn)定，逐步形成綠色品牌，擴(kuò)大市場(chǎng)影響力。充分利用各大媒體和信息平臺(tái)的宣傳優(yōu)勢(shì)，擴(kuò)大標(biāo)準(zhǔn)的影響范圍，營(yíng)造企業(yè)充分參與和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的良好氣氛，使標(biāo)準(zhǔn)落在實(shí)處，取得實(shí)效，從而更好地推動(dòng)赤泥資源化利用業(yè)務(wù)的健康和快速發(fā)展。

3.5 加強(qiáng)基礎(chǔ)工作，開(kāi)展赤泥統(tǒng)計(jì)調(diào)查

建立赤泥綜合利用信息網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，采用“互聯(lián)網(wǎng)+”、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)，同時(shí)運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、信息集成技術(shù)等對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，逐步建立赤泥的數(shù)據(jù)收集、整理和統(tǒng)計(jì)體系，充分體現(xiàn)赤泥排放、貯存及資源綜合利用情況。重點(diǎn)掌握重點(diǎn)產(chǎn)廢企業(yè)的基本情況和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為赤泥綜合利用的長(zhǎng)期開(kāi)展和分階段重點(diǎn)實(shí)施提供決策依據(jù)。