在KOH介质中，利用小麦麸皮作为还原剂，一步法从高铁铝土矿中同时提取铝（Al）和铁（Fe）

《Biomass and Bioenergy》：One-step hydrothermal co-extraction of Al and Fe from high-iron bauxite in KOH medium using wheat bran reductant

高铁铝土矿中铁铝共生密切，传统拜耳法存在低效、红泥污染严重等问题。本研究提出“钙化-钾碱-生物质”协同处理新工艺，利用小麦 bran 在280℃、280 g/L K2O 条件下选择性还原 hematite 为 Fe3O4，实现铝溶解率88.2%和铁还原率39.8%。红泥转化为 KAlSiO4 可制备硅钾肥料，理论计算表明纤维素基团对 hematite {001} 面吸附能最强，揭示生物质还原微观机制。该技术实现铁铝协同提取、红泥高值化及源头减排，为绿色铝工业提供新路径。

　　

李庆东|吕国志|张小蕾|张人云|刘炳森|袁芳毅|张廷安

中国沈阳东北大学，110819

摘要

本研究针对高铁铝土矿中铁和铝矿物紧密共生、传统拜耳法处理效率低、红泥排放量大以及铁资源浪费等问题。提出了一种基于“钙化-钾碱-生物质”处理的高铁铝土矿新型清洁生产工艺。以麦麸作为还原剂，通过水热浸出法选择性地将氧化铝（Al₂O₃）还原为磁铁矿（Fe₃O₄）。系统研究了反应温度、K₂O浓度、麦麸用量、额外碱溶液体积、分子比和反应时间对氧化铝溶解速率和磁铁矿还原速率的影响。结果表明，在优化工艺条件下（温度280°C，K₂O浓度280 g/L，麦麸添加比例B/F=0.3，额外碱溶液体积（ml:麦麸g）=50:1，分子比3.1，反应时间60分钟），氧化铝溶解速率达到87.95%，磁铁矿还原速率达到39.8%。转化产物中的磁铁矿转变为强磁性的Fe₃O₄，为后续的磁选和铁资源回收奠定了基础。同时，钾碱体系主要将红泥转化为钾铝硅酸盐（KAlSiO₄），为制备硅钾肥料提供了潜在原料，从而实现了红泥的高值利用。理论计算表明，麦麸中的纤维素基团（C₆H₁₀O₅）对磁铁矿{0 0 1}晶面的吸附亲和力最强，阐明了生物质还原的微观机制。该工艺为从高铁铝土矿中同时提取铁和铝提供了新的技术途径，实现了资源的完全利用和源头的减排。

引言

作为最丰富的可再生碳资源之一，生物质的利用对于实现环境可持续性、能源安全和碳中和至关重要[1]。目前，全球约25%的能源由生物质替代化石燃料提供[2]，预计到2025年，生物质能源将占全球能源消费的50%，发达国家将利用全球80%的生物质资源。与化石煤相比，生物质来源多样[3]，农业废弃物、藻类和城市/工业有机废物是生物能源生产的主要原料。生物质通常具有较高的挥发分和氧含量，以及较低的硫和灰分含量，有利于更清洁的利用和减少污染物排放[4,5]。目前，生物质的应用领域包括能源、化工、冶金、建筑、环境保护和制药等，显示出广阔的利用前景[6]。其中，木质纤维素是最丰富的生物质资源，由35%-50%的纤维素、20%-35%的半纤维素和10%-25%的木质素组成[1]。它可以直接燃烧、气化或热解产生能源[7]，或通过物理方法转化为固体燃料（颗粒、压块），还可以化学加工生产液体燃料（生物乙醇、生物柴油、可持续航空燃料）[8]，或用于制备多功能材料（如多孔活性炭）用于碳捕获等应用[9]。

铁和铝是现代工业中不可或缺的金属资源[10,11]，广泛应用于航空航天[12]、催化剂载体[13]、建筑材料[14]、汽车和海洋工程以及化工和医疗领域。随着中国高品位铁矿石和铝土矿资源的枯竭，高铁铝土矿的开发和利用受到了越来越多的关注。其主要矿物相包括磁铁矿（Fe₂O₃）、针铁矿（FeOOH）、迪亚斯波尔石（AlO(OH)₃）和高岭石（Al₄Si₄O₁₀(OH)₈[15,16]。然而，这些矿石中的铁和铝矿物紧密共生，存在严重的同质替代现象。使用传统拜耳法时存在两大挑战：一方面，磁铁矿（Fe₂O₃）在高温强碱环境中化学惰性高，不仅阻碍了氧化铝离子的溶解，导致氧化铝回收率低，还加剧了碱的有效循环利用；另一方面，硅酸钠渣（DSP）和磁铁矿（α-Fe₂O₃）表面的ζ电位差小于10 mV，润湿性相似，使得有效分离困难[17,18]。这导致铁资源浪费，并增加了碱性红泥的排放[19]。行业统计数据显示，生产1吨氧化铝会产生约0.7–2.0吨红泥[20]。全球红泥库存已超过60亿吨，每年以2亿吨的速度增长[21]。大部分红泥通过堆放处理，不仅占用土地，还会对水体和土壤造成渗漏和二次污染[20]。因此，在从高铁铝土矿生产氧化铝的过程中实现铁铝协同作用、高值利用和源头减排已成为清洁氧化铝生产的关键方向[22]。近年来，关于从高铁铝土矿和红泥中协同回收铁和铝的研究十分活跃。酸浸[23]、生物浸出[24]、磁选[25]和碳热还原[26]等技术被广泛研究以实现铁铝分离。这些方法的效率和适用性各不相同。其中，还原焙烧-磁选工艺可以有效将Fe³⁺转化为Fe₃O₄[27]，但传统的铁粉或甘油还原剂会进一步提高氧化铝的生产成本[28]，使其不适用于经济可行的氧化铝生产。在此背景下，利用生物质作为清洁还原剂具有独特潜力。特别是农业副产品如麦麸富含纤维素和半纤维素，具有高还原活性，且不含硫和磷等有害杂质，是绿色还原的理想选择。在高温水热条件下，其热解产生的活性还原组分（如还原糖和酚类化合物）可以选择性地将惰性的Fe₂O₃还原为强磁性的Fe₃O₄，为后续的磁选奠定了基础。相关研究验证了生物质还原在磁铁矿[17]、高铁铝土矿[19]和红泥[29]中的可行性和能源效率优势。然而，现有关于高铁铝土矿的研究主要集中在氢氧化钠（NaOH）体系上，铁和铝协同提取后的尾矿处理仍是一个不容忽视的环境挑战。

基于此，本文创新性地提出了一种“钙化-钾碱-生物质”（CPAB）新型清洁生产工艺，用于处理高铁铝土矿。该工艺的核心在于整合了三大创新：首先，用KOH替代NaOH，利用钾碱体系的优势（熔点低、粘度低、反应活性高）提高氧化铝溶解效率；同时，转化产物从传统拜耳法中的钠铝硅酸盐水合物转变为钾铝硅酸盐，成为生产矿物基硅钾肥料的高质量原料，为红泥的高值利用开辟了新途径；其次，引入钙化反应通过调节CaO用量来净化母液，并与钾离子竞争结晶，防止钾碱在源头无效固定，有效控制产品成分并实现钾碱的循环利用；第三，在溶解过程中添加麦麸作为还原剂，利用其通过水热降解产生的还原功能基团原位将磁铁矿还原为磁铁矿，从而实现一步水热浸出过程中铁和铝的协同提取。本研究系统研究了反应温度、碱浓度、生物质用量、额外碱溶液体积、时间和摩尔比等关键参数对氧化铝溶解速率和磁铁矿还原速率的影响，探讨了麦麸在钾碱体系中还原磁铁矿的机制和效率，阐明了钙化、溶解和还原过程之间的协同作用。通过密度泛函理论（DFT）计算，确定了麦麸纤维素单元与Fe₂O₃{001}晶面之间的吸附能，为还原选择性提供了分子层面的解释。该工艺利用生物质麦麸实现了从高铁铝土矿中同时提取铁和铝，旨在建立一种新的技术方法和坚实的理论基础，以实现高铁铝土矿资源的绿色、低碳和高值利用。

原材料

实验中使用的氢氧化钾（KOH）、氢氧化铝（Al(OH)₃）和氧化钙（CaO）均为分析纯（购自中国国家医药化工试剂有限公司）。生物质麦麸来自中国河南省，经干燥后研磨至100目细度。铝土矿原料为从几内亚进口的三水铝土矿，由一家中国氧化铝企业提供。浸出实验前，铝土矿在烤箱中干燥

材料表征

铝土矿原始材料的SEM-EDS图像见图2a–d。在低倍率下，原始材料颗粒呈现多种结构形态，有不规则或球形的颗粒聚集形成块状结构，表面相对粗糙。局部放大的SEM图像显示，高岭石具有片状和层状结构特征，表面相对光滑；而磁铁矿则表现为大型不规则颗粒，表面粗糙

结论

本研究提出了一种协同的“钙化-钾碱-生物质还原”清洁工艺，以解决传统处理高铁铝土矿的核心问题。单因素实验确定了最佳参数：温度280°C，K₂O浓度280 g/L，麦麸添加量（B/F）0.3，液固比50:1，分子比（α_K）3.1，反应时间60分钟。在这些条件下，Al₂O₃溶解率达到88.2%，磁铁矿还原率为39.8%

CRediT作者贡献声明

李庆东：撰写——原始草稿，方法学，数据整理。吕国志：撰写——原始草稿，资源获取，资金申请。张小蕾：方法学。张人云：监督。刘炳森：监督，项目管理。袁芳毅：方法学。张廷安：撰写——审稿与编辑。

利益冲突声明

我们声明没有利益冲突。

致谢

作者衷心感谢以下机构的财政支持：国家自然科学基金（项目编号：ZX20230386）、东北大学跨学科合作与发展项目（项目编号：N2225013）、2023年制造业高产业基地重构质量发展专项（项目编号：2023ZY01019–11）、江西省“双千计划”项目（项目编号：S2021DQKJ2198）以及第六批高层次人才支持资金