一种扩展的孔体积表面扩散方法，用于模拟甲硝唑和对乙酰氨基酚在活性炭上的二元吸附过程

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：An extended pore-volume surface diffusion approach for modeling binary adsorption of metronidazole and acetaminophen on activated carbon

红泥资源化利用综述：针对全球铝工业产生的大量高碱性与有害成分的红泥废弃物，从回收铁、铝、钛、稀土等有价资源，制备碱激发建材、功能复合材料及CO2矿化环境应用三方面系统评估技术路径，提出基于原料特性分级利用、工艺集成及政策引导的规模化应用路线图。

　　

Jiahe Zhang|Wei Guan|Yekai Jia|Xin Guo|Lijuan Qi

中铝科技研究院有限公司，中国北京102209

摘要

红泥（RM），也称为铝土矿残渣，是氧化铝生产过程中产生的高碱性副产品。由于每生产一吨氧化铝会产生1-1.5吨红泥，且这种残渣通常粒度细小，富含Fe-Al-Si-Ti氧化物，长期储存会带来碱度、粉尘污染和微量元素渗出的风险。本文从三个互补的角度综合了红泥资源化利用的最新进展：有价值资源的回收（铁、铝、钛、钪/稀土元素及碱金属）、转化为大宗建筑材料/功能性材料（碱激活粘结剂、砖块/陶瓷、骨料和功能性复合材料），以及环境和能源应用（吸附剂/催化剂和二氧化碳矿化）。除了总结各项技术外，我们还探讨了原料特性（工艺/地区）、碱度和矿物学特性对路径选择的影响，并比较了主要技术途径的成熟度、价值主张和环境约束。最后，我们提出了一条以决策为导向的发展路线图，强调预处理标准化、集成工艺链以及市场/法规的协调，以实现安全、大规模的红泥利用。

引言

拜耳法是主要的铝土矿氧化铝生产方法[1]，其产生的副产品红泥（RM）具有高碱性[2]、[3]、[4]。每生产一吨氧化铝，大约会排放1-2吨红泥[5]、[6]。仅2023年，全球氧化铝产量就达到了约1.42亿吨，相应产生了约1.77亿吨红泥[7]、[8]、[9]。数十年来，全球累计积累了超过40亿吨红泥[10]。这种大量且具有腐蚀性的废弃物对环境造成了严重威胁，包括土壤和水源污染[11]、碱性渗滤液[12]以及土地使用压力[13]。2010年匈牙利Ajka尾矿坝的灾难性溃坝事件就凸显了管理不善的红泥储存可能带来的环境和人员风险[14]。红泥产生的规模和持久性使其可持续管理成为铝工业和环境政策制定者的紧迫问题。

矛盾的是，红泥不仅是一种废弃物，也是一种富含资源的材料[15]。它通常含有30-50%的Fe₂O₃、10-20%的Al₂O₃、5-10%的TiO₂，以及少量但经济价值显著的原料，如钪（Sc）、镓（Ga）和稀土元素（REEs）[16]、[17]、[18]。据估计，全球红泥堆存中蕴含的稀土元素具有巨大的经济价值[19]、[20]。然而，目前的利用率仍低于5%，这反映了技术潜力与实际应用之间的巨大差距[21]、[22]。红泥利用率长期偏低的原因包括工艺复杂性、高昂的资本和运营成本、原料化学成分和矿物学的显著差异、环境和监管风险，以及缺乏连贯的政策和市场激励[23]、[24]。最近在红泥资源化方面的进展包括选择性提取关键金属[25]、制造碱激活粘结剂和地质聚合物[26]、二氧化碳矿化同时实现中和[27]，以及污染物修复应用[28]，这些为将红泥整合到循环经济系统中提供了可行的途径。

过去十年中，红泥研究从单一处理方式转向了综合资源化策略，包括：通过物理选矿和热还原富集/回收铁；湿法冶金回收铝/钛/钪/稀土元素；转化为可大量使用的大宗建筑材料（碱激活粘结剂、砖块/陶瓷、骨料）；以及具有中和碱度能力的环境和能源应用（如吸附/催化和二氧化碳矿化）。尽管实验室取得了显著进展，但由于原料特性的差异、脱水/处理问题、化学/能源投入（如焙烧、浸出、中和）、长期渗出性能的不确定性以及产品与市场的脱节，工业应用仍受到限制。与以往仅关注单一领域（如金属或建筑材料）的综述不同，本文提供了跨多种利用途径的统一、以决策为导向的综合分析，系统地探讨了工艺和地区因素对具体路径的制约或促进作用，比较了主要技术途径的成熟度、成本驱动因素和环境风险，并确定了最有利于安全、大规模红泥利用的集成工艺链和部署策略。

本文旨在对红泥的利用途径进行批判性和系统的评估。第2节详细介绍了其物理化学性质和环境特征，为资源化策略奠定了基础。第3节分类了主要的再利用途径：有价值元素的回收、建筑材料和功能性材料的生产以及环境应用。第4节总结了工业进展。第5节分析了关键技术并提出了在未来清洁生产背景下促进大规模、可持续红泥资源化的方向。

典型化学和矿物组成

红泥是一种由氧化物和残留矿物组成的混合物，其具体组成因铝土矿类型和拜耳工艺条件的不同而有很大差异[29]。图1展示了不同地区残渣的代表性成分，以说明这种多样性。红泥中的主要氧化物组成受铝土矿的地质来源和精炼工艺的影响，进而影响其矿物学特性、碱度和可行的利用途径。

红泥的利用途径

由于红泥的性质受工艺和地区的影响，路径选择应从原料特性开始（主要氧化物、矿物相、粒径、碱度、可浸出性）。例如，富含铁氧化物的红泥可能更适合选矿/还原铁的回收，而富含钙/硅的残渣则更适合用于熟料/陶瓷生产；高碱度的红泥在使用前通常需要部分脱碱或碳化处理，以适应土壤或水接触的应用。

研究与工业应用进展

如前一节所述，红泥的利用技术可能性多样。但一个关键问题是：这些想法在实验室之外的实际应用进展如何？本节回顾了红泥资源化在研究和开发方面的现状：从研究趋势和专利到世界各地的试点工厂和新兴工业项目。本节重点介绍了几个典型的试点和示范项目，展示了向大规模应用迈进的进展。

挑战与障碍

尽管学术界对此有广泛关注和技术发展，但红泥的工业规模利用仍受到限制。这一差距源于技术挑战、环境问题、经济约束和政策缺陷的综合作用。本节批判性地分析了这些多重障碍，并结合最近的案例研究和工业经验提出了战略性的解决途径。

结论

红泥产量巨大，由于其高碱度、复杂的矿物学特性以及铝土矿来源和精炼条件的差异，其利用一直是个持续存在的挑战。本文从资源回收和直接利用两个互补的角度总结了红泥资源化的最新进展，包括在水泥粘结剂、陶瓷、道路材料、吸附剂和二氧化碳矿化介质等大宗和功能性产品中的应用。

展望

未来的进展应从概念验证研究转向可扩展、可验证的工艺和产品系统。首先，需要标准化和具有代表性的数据集来捕捉红泥的多样性，并将矿物学/碱度/粒径与工艺性能联系起来，从而支持更合理的工艺设计并便于跨研究进行比较。其次，脱碱和碱回收值得继续关注，因为它们不仅影响环境

CRediT作者贡献声明

Zhang Jiehe：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿。Wei Guan：撰写——审稿与编辑，形式分析。Jia YeKai：撰写——审稿与编辑。Xin Guo：概念构思。Lijuan Qi：数据整理，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。