《Biomass and Bioenergy》：Microwave-assisted carbothermic reduction of red mud using palm kernel shell charcoal: A circular economy approach for sustainable iron recovery
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红泥与棕榈核壳炭的微波辅助还原铁回收工艺研究。通过优化微波功率（800W）、还原时间（30min）和碳氧摩尔比（1.4），在1214℃下实现94.3%铁金属化率，较传统电炉法节能且效率提升50%。该技术有效整合印尼两大工业废弃物，推动循环经济发展。
阿卜杜勒·哈皮德（Abdul Hapid）| 阿吉·卡维格拉哈（Adji Kawigraha）| 努尔·维塔·佩尔马塔萨里（Nur Vita Permatasari）| 努尔·伊克瓦尼（Nur Ikhwani）| 耶尼·诺维塔萨里（Yeni Novitasari）| 西蒂·祖莱卡（Siti Zullaikah）| 斯里·哈詹托（Sri Harjanto）| 阿贡·塞蒂亚万（Agung Setiawan）
矿物技术研究中心，国家研究与创新机构（BRIN），印度尼西亚南万隆，15314
摘要
红泥是铝土矿加工的副产品，目前全球储存量达46亿吨，印度尼西亚每年产生的红泥量为430万吨，对环境造成了严重威胁。同时，棕榈油（CPO）加工过程中产生的棕榈壳是一种未被充分利用的生物质资源，年产量为1320万至1430万吨。本研究提出了一种微波辅助还原（MAR）工艺，通过使用棕榈壳炭（PKSC）作为可再生还原剂从红泥中回收铁，从而同时实现这两种废弃物的价值化。实验采用2.45 GHz的微波碳热还原技术，研究了微波功率（500–900 W）、还原时间（2.5–30分钟）以及碳氧比（C/O）（0.8–2.2）对铁提取效率的影响。通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜结合能量分散X射线光谱（SEM-EDX）和金属化分析对实验结果进行了表征。在优化条件下（800 W功率、30分钟还原时间、C/O比=1.4），铁的金属化率达到了94.3%，且无需添加化学试剂。与传统电炉方法（1400°C下60分钟还原时间、金属化率为97.2%）相比，该方法处理时间缩短了50%，且温度降低了186°C。热力学分析确定了氧化铁顺序还原路径（Fe?O? → Fe?O? → FeO → Fe）的关键温度阈值。微波选择性加热技术具有体积小、加热速度快等优点，是传统外部加热方法的替代方案。该研究展示了将两种主要工业废弃物通过高效热冶金工艺转化为高附加值产品的可行性和经济性，对建立国内铁原料供应和推动循环经济发展具有重要意义。
引言
红泥是在拜耳法（Bayer process）利用苛性钠提取氧化铝过程中产生的危险废物[1,2]。每处理2至3吨铝土矿通常会产生1至2.5吨红泥[3]。作为铝工业不可避免且未得到充分利用的副产品[4]，红泥在管理上面临重大技术和经济挑战，尤其是受到相关法规限制[5]。由于其体积庞大、具有腐蚀性[6,7,8]、呈胶体悬浮状、碱度极高以及含有大量重金属和放射性核素[9]，红泥对氧化铝精炼厂构成了重大环境威胁。目前红泥主要储存在垃圾填埋场，导致严重的环境和经济问题[11,12]。
拜耳法每年产生的红泥量巨大，对环境构成风险[13]。随着氧化铝产业的扩张，全球红泥库存持续增加，目前总量约为30亿吨，每年增长1.5亿吨[14]。有研究显示全球红泥年产量超过1.75亿吨[15]。这种固体废物的积累不仅消耗大量土地资源，还带来严重生态威胁[16]。
印度尼西亚的铝土矿资源量为62亿吨，可生产11亿吨铝金属。铝土矿储量约为31亿吨，相当于5.33亿吨铝[17]。目前印度尼西亚有三家工厂将铝土矿加工成氧化铝，每年产生430万吨红泥。有效的红泥管理对于防止环境污染至关重要。过去几十年间，人们一直在努力寻找合理利用这种危险废物的方法[18]。
先前的研究表明红泥中含有铁等有价值的金属，甚至可能含有稀土金属如钪[2]。来自印度尼西亚西加里曼丹塔扬（Tayan）地区的红泥中铁含量高达43.75%[2]。这一高含铁量使其有望成为生产铁精矿或海绵铁的原料，而印度尼西亚的钢铁工业正是这些产品的需求方。迄今为止，钢铁生产所需的几乎所有原材料都依赖进口[19]。
已有大量研究探讨了红泥的利用方法，包括热冶金[19,20]和水冶金[21,22,23,24]。传统热冶金方法通常在高温（>1000°C）下使用CO、煤或H?作为还原剂从红泥中回收铁，能耗较高。而水冶金方法虽然能减少废物产生，但过程复杂。微波辐射作为一种高效热源，在多种热冶金过程中得到广泛应用[25]。此外，还有研究利用氢等离子体反应器在600–800°C温度下通过微波直接还原铁矿石[1]。
以往文献中尚未报道过使用棕榈壳炭（PKSC）作为还原剂从红泥中回收铁的方法。这种方法不同于以往基于炉子的传统还原剂（如煤或氢气）。通过利用可再生生物质材料和微波能量，该方法实现了两种工业废弃物的可持续处理。本研究采用微波辅助还原（MAR）工艺，利用棕榈壳炭作为还原剂从红泥中回收铁。印度尼西亚是全球最大的棕榈油生产国，棕榈油加工过程中产生大量棕榈壳[26,27,28]。目前棕榈壳被视为废弃物，2023年的产量约为1320万至1430万吨。若不加以有效管理，这些生物质废物将带来严重环境问题。
利用棕榈壳炭作为还原剂从红泥中回收铁是一种有前景的方法，有助于缓解铝土矿和棕榈油加工行业带来的环境问题。本研究系统探讨了微波功率、还原时间和碳氧比对铁回收效果的影响，旨在开发一种高效、节能且环保的循环经济工艺。
材料
红泥样本采集自印度尼西亚西加里曼丹塔扬地区一家氧化铝厂的干涸池塘。样品在105°C下干燥24小时以去除水分，随后研磨至粒径小于100目（149 μm）。作为还原剂的棕榈壳炭（PKSC）来自当地企业，同样经过研磨至粒径小于100目（149 μm）。
样品特性
表1显示了通过X射线荧光（XRF）分析确定的红泥化学成分。结果显示铁含量为32.9 wt%，其次是铝（10.8 wt%）、硅（8.0 wt%），其他主要杂质为5.2 wt%的硅。此外，钛（1.9 wt%）、钙（1.6 wt%）、磷（0.4 wt%）、硫（0.4 wt%）、镁（0.1 wt%）和锰（0.1 wt%的浓度较低。
塔扬地区红泥中的铁含量为32.9 wt%
结论
本研究成功证明了使用棕榈壳炭（PKSC）作为可再生碳热还原剂进行微波辅助还原（MAR）的可行性，在优化条件下（800 W微波功率、30分钟还原时间、C/O比=1.4、峰值温度1214°C）实现了94.3%的铁金属化率。微波选择性加热技术相比传统外部加热方法具有竞争力和潜在的节能优势。
作者贡献声明
阿卜杜勒·哈皮德（Abdul Hapid）：负责撰写初稿、项目管理和方法设计、数据收集及概念构建。阿吉·卡维格拉哈（Adji Kawigraha）：负责撰写、审稿与编辑、监督及方法优化。努尔·维塔·佩尔马塔萨里（Nur Vita Permatasari）：负责数据收集与分析。努尔·伊克瓦尼（Nur Ikhwani）：负责方法设计、数据收集与分析。耶尼·诺维塔萨里（Yeni Novitasari）：负责数据收集与分析。西蒂·祖莱卡（Siti Zullaikah）：负责撰写、审稿与编辑、监督及方法优化。斯里·哈詹托（Sri Harjanto）：负责撰写、审稿与编辑、监督及方法优化。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。
致谢
本研究部分得到了纳米技术与材料研究组织——国家研究与创新机构（BRIN）的资助（项目编号2025）。作者同时感谢ANTAM公司提供的红泥样品。
