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红泥因其高比表面积、酸性-氧化性特性及丰富的铁、铝、钛、硅资源，成为NH3-SCR低温脱硝催化剂的优选材料。酸处理可提升红泥比表面积至200 m2/g以上，增强表面酸性和氧空位浓度，为活性位点提供基础。通过Ce、Cu、Mn等金属负载及复合设计，催化剂在200-400℃区间NOx转化率可达80-98%，且表现出优异抗水硫中毒能力及结构稳定性。但现有催化剂仍面临低温活性不足（<200℃转化率低）、金属分散不均、机械强度差等挑战。未来需通过多金属协同调控、红泥-碳复合材料构建及模块化催化剂设计，进一步提升低温催化效能与工程适用性。
作者：宋波 | 沈振兴 | 王子通 | 彭秦 | 学静
中国西安交通大学环境科学与工程学院固体废物回收与资源化利用重点实验室，西安，710049
摘要
赤泥（RM）是氧化铝生产过程中产生的一种强碱性固体废物，富含Fe2O3、Al2O3、TiO2和SiO2。由于其固有的酸碱性质和氧化还原活性，赤泥被广泛研究作为NH3-选择性催化还原（NH3-SCR）NOx的催化剂。本文综述了基于赤泥的NH3-SCR催化剂的最新进展，包括酸改性、金属负载和复合设计策略。酸处理可以将赤泥的比表面积从低于30 m2 g-1提高到超过200 m2 g-1，并显著增强其表面酸性和氧化还原能力。负载有Ce、Cu和Mn等金属的赤泥催化剂在200-400 °C的温度范围内通常可以实现80-90%以上的NOx转化率。文章讨论了Fe、Ce和Cu物种的催化作用及其协同效应，特别关注了低温下的活性。同时，也总结了当前面临的主要挑战，如200 °C以下活性较低、硫和水的失活以及催化剂成型困难等问题。最后，提出了未来的研究方向，如多金属耦合、赤泥-碳杂化体系以及结构化整体催化剂的设计，以促进赤泥在NH3-SCR应用中的高值利用。
引言
作为世界上主要的固体废物之一，赤泥是氧化铝生产过程中的副产品。每生产1吨氧化铝，大约会产生1-2吨赤泥[1]、[2]。近年来，全球赤泥年产量达到1.8亿吨，累计总量约为40亿吨[3]。中国是最大的氧化铝生产国之一，其赤泥产量远高于其他国家。2022年，中国生产了超过1.39亿吨赤泥，处理成本超过690亿元人民币[4]。赤泥具有强碱性（pH > 12），含有多种可溶性碱和重金属离子[5]。大多数赤泥采用湿法储存在露天池塘中。长期储存不仅占用大量土地，还会对地下水和周围土壤造成二次污染。此外，赤泥中的铁、铝和钪等有价值的成分无法有效利用，导致资源浪费。因此，赤泥的大规模积累和处置已成为铝工业可持续发展的主要环境挑战。
如图1所示，赤泥的处理通常遵循减少毒性、无害化和资源化三个基本原则。其中，减少毒性主要依赖于氧化铝生产过程的改进，但这仍在探索中。因此，无害化和资源化成为主要的研究方向。对于无害化处理，研究主要集中在改进储存方法（如干堆放和回填采空区）、固化/稳定处理以及化学中和和钝化等方面，旨在降低碱性物质和重金属迁移带来的环境风险。在资源化方面，研究与应用主要集中在三个方向：（i）建筑材料[6]、[7]，如水泥添加剂、烧结砖和陶瓷原料；（ii）冶金回收[8]、[9]，包括提取铁、铝、钛和稀土元素等有价值的金属；（iii）环境修复[10]、[11]、[12]，如制备用于去除水中的重金属、氟化物和有机污染物的吸附剂。近年来，随着“双碳”目标和绿色低碳发展的推动，赤泥的环境功能利用成为研究热点，其在水处理和空气污染控制中的应用不断扩展，为赤泥的高值利用开辟了新的方向。
氮氧化物（NOx）不仅是主要的空气污染物，还是酸雨、光化学烟雾和细颗粒物（PM2.5）的前体。控制固定源的NOx排放对于改善空气质量和保护公众健康至关重要。目前，燃煤电厂、钢铁制造和水泥窑等行业通常采用选择性催化还原（SCR）、选择性非催化还原（SNCR）、吸附或吸收等方法进行脱硝。其中，NH3-SCR技术因其高效性和成熟度而得到最广泛应用。在NH3-SCR反应机制中，NO的氧化和NH3的吸附是决定催化性能的两个关键步骤。NO氧化为NO2的过程促进了“快速SCR”途径（NO + NO2 + NH3），这在低温下尤为重要。同时，NH3在Lewis酸位点和Br?nsted酸位点上的吸附决定了活性NH3物种的可用性。传统的V2O5-WO3/TiO2催化剂在中高温范围（300–400 °C）表现出高活性和稳定性，但仍存在一些问题[13]、[14]：（i）低温（<200 °C）下的活性较低，限制了其在低温烟气处理中的应用；（ii）V2O5的毒性和腐蚀性，存在潜在的环境和安全风险；（iii>催化剂被SO2和水蒸气失活。因此，开发新型低温、高效且无毒的SCR催化剂成为重要的研究方向。
在脱硝催化剂的研究中，将赤泥引入NH3-SCR系统受到了越来越多的关注，并显示出若干优势。从资源利用的角度来看，赤泥是一种量大且风险高的工业固体废物，将其应用于脱硝催化剂为“以废治废”提供了有前景的途径，同时减轻了处置压力。从材料角度来看，赤泥富含Fe2O3、Al2O3、TiO2和SiO2，其中铁氧化物可作为NH3-SCR的活性成分，而富含氧化铝、二氧化钛和二氧化硅的相可作为有效的催化剂载体，有助于活性物种的分散和稳定。最新研究表明，赤泥可以直接用作催化剂，或通过适当的改性策略转化为高活性的SCR材料。例如，通过固态球磨制备的Ce-Ti共掺杂赤泥催化剂在240 °C、GHSV为30000 mL·g-1·h-12选择性高于95%。在H2O（5 vol.%）和SO2（200 ppm）共同存在的情况下，NO转化率暂时下降，但在去除污染物后逐渐恢复到约95%，显示出良好的耐受性和可逆性[15]。经过酸洗和碱熔预处理后，赤泥还被用作合成Cu基沸石SCR催化剂的铝源，在200-300 °C范围内实现了几乎完全的NO去除，遵循E-R途径[16]。此外，通过湿法浸渍制备的Cu改性赤泥催化剂比原始赤泥具有更高的活性。在GHSV为120000 mL·g-1-1x转化率达到98.4%。当引入5 vol.% H2O和100 ppm SO2时，NOx转化率从95%以上下降到约90%，并在去除污染物后稳定23小时，随后恢复到初始水平[17]。稀土改性进一步调节了基于赤泥的催化剂的氧化还原行为和表面酸性。使用硝酸盐前驱体制备的Ce改性赤泥在300 °C以下表现出优于硫酸盐衍生物的SCR活性，强调了Ce化学状态和晶格氧可用性在催化性能中的关键作用[18]。此外，赤泥中固有的碱性氧化物可能会通过中和酸位点抑制NH3的吸附，因此广泛采用了水洗、酸洗和煅烧等预处理方法来去除碱金属并激活赤泥用于NH3-SCR应用[19]。
作为典型的大宗工业固体废物，赤泥长期以来一直对铝工业的可持续发展构成挑战。资源化是利用这一问题的重要途径。同时，开发低温、高效且低成本的脱硝催化剂也成为空气污染控制领域的研究热点。将赤泥引入脱硝系统不仅可以实现固体废物的高值利用，还为低温NH3-SCR技术的发展提供了新的思路。近年来，虽然有一些探索性研究探讨了赤泥在脱硝中的应用，但结果仍不统一[20]、[21]、[22]、[23]、[24]。因此，本文旨在提供关于赤泥在NH3-SCR脱硝中应用的清晰系统概述，重点关注三个关键问题：首先，酸处理如何改变赤泥的物理化学性质并提高其催化活性；其次，不同的金属负载策略（包括单金属和多金属体系）如何调节酸度、氧化还原行为和低温性能；最后，基于赤泥的催化剂存在哪些主要限制，如耐硫性和耐水性、结构稳定性和成型可行性。本文总结了当前进展，指出了共同趋势和问题，并为未来基于赤泥的NH3-SCR催化剂的研究和应用提供了指导。
方法
本综述所包含的文献通过系统搜索同行评审出版物收集。主要使用的数据库是Web of Science。搜索使用了以下关键词组合：“red mud”、“bauxite residue”、“NH3-SCR”、“selective catalytic reduction”、“NOx removal”、“denitration”和“denitrification”。仅考虑了英文撰写的期刊文章。文献发表时间主要集中在2005年至2024年期间。
成分组成
根据不同的氧化铝生产工艺，赤泥可分为拜耳法赤泥（Bayer RM）、烧结法赤泥（sintering RM）和联合工艺赤泥（combined-process RM）[4]、[25]。图2展示了赤泥生成的简化流程图。拜耳法赤泥的碱性最强（pH通常>12），含有大量Na2O。目前拜耳法是全球生产赤泥的主要方法，占总产量的95%以上[26]。表1列出了这三种类型赤泥的主要成分[27]。
预处理方法
为了提高赤泥的脱硝性能，许多研究首先尝试通过预处理改善其物理化学性质。常用的方法包括酸处理后进行煅烧。如图9所示，该典型过程包括将赤泥与酸（如HCl或HNO3）混合，在高温（如80 °C）下搅拌，然后在空气中煅烧（通常约为500 °C）。具体参数包括固液比、反应时间和
结论
赤泥是一种复杂的固体废物，主要由Fe2O3、Al2O3、TiO2和SiO2组成，具有固有的酸碱和氧化还原性质。这些特性使赤泥成为NH3-SCR脱硝催化剂的有前景的低成本原料。通过酸处理、煅烧、金属负载和复合改性，可以有效调节赤泥的结构和表面化学性质。因此，许多基于赤泥的催化剂在相应温度范围内表现出良好的脱硝性能。
作者贡献声明
沈振兴：撰写 – 审稿与编辑，资金获取，概念构思。王子通：方法学。彭秦：方法学。学静：方法学。宋波：撰写 – 原稿撰写，方法学，实验设计，数据管理
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本工作得到了陕西省重点研发项目（2024SF-ZDCYL-05-06, 2022ZDLSF06-07）的支持。
