钢铁冶炼渣与赤泥的协同处理：高效磷回收与资源化利用

《Environmental Research》：Collaborative Processing of Steelmaking Slag and Red Mud for Efficient Phosphorus Recovery and Resource Utilization

高效回收钢渣中磷资源的新方法研究。通过添加红泥（RM）重构钢渣矿物相，形成Na2Ca2P2O8富集相，实现磷的高效选择性回收。实验表明15wt%RM添加时磷浸出率达75%，pH8沉淀获得99%磷沉淀效率，产物纯度达97%。研究揭示了RM与钢渣的协同作用机制，为工业固废资源化提供了新思路。

　　

杨中华|杜传明|卢子灿|王建国

东北大学冶金学院，中国辽宁省沈阳市，110819

摘要

从炼钢渣（SS）中高效回收磷（P）对于促进冶金行业的资源可持续性和减少固体废物的产生至关重要。然而，炼钢渣复杂的矿物组成阻碍了磷的提取和利用。为了解决这个问题，研究人员添加了氧化铝生产过程中的副产品——红泥（RM）作为改性剂，以重构炼钢渣的矿物相并提高磷的可用性。通过添加不同量的红泥熔化炼钢渣，研究了矿物重构对磷分配行为的影响。结果表明，增加红泥的添加量可以促进P?O?在二钙硅酸盐中的富集，主要形成Na?Ca?P?O?相。对改性后的渣料进行弱酸性浸出（pH 3.0–5.0）实验，以评估主要元素的溶解行为。在pH 4.0时，磷的浸出率高达75%，而铁和铝基本不溶，显示出浸出的选择性。将浸出液的pH调整到8.0后，磷的沉淀率为99%，整体磷回收效率为74%。回收的白色沉淀物主要是羟基磷灰石，总杂质含量低于1 wt%，XRD图谱中未检测到其他次要结晶相。使用红泥改性合成炼钢渣被证明是一种有效的策略，能够提高磷的回收率，为炼钢渣的高价值利用提供了一种可持续且高效的方法。

引言

冶金工业对一个国家的经济发展至关重要（Azizi等人，2021年；Yang等人，2025年），但其生产过程会产生大量固体废物，其中炼钢渣（SS）是主要的副产品，全球年产量超过2亿吨（Suzuki等人，2023年；Xu等人，2023年）。炼钢渣主要由CaO、SiO?、Fe?O?、Al?O?、MgO和P?O?组成（Uchida等人，2024年）。尽管炼钢渣被重新用作建筑材料，但其作为磷（P）资源的潜力尚未得到充分利用。炼钢渣中的磷通常以二钙硅酸盐或C?S-C?P固溶体的稳定形式存在，在温和条件下难以分解，导致浸出率低且回收效率低（Das等人，2021年；Yu等人，2022年）。随着对磷需求的增加和天然磷酸盐矿石的枯竭（Imran等人，2025年），从炼钢渣中回收磷已成为一个紧迫的环境挑战（He等人，2023年；Lv等人，2025年；Suzuki等人，2023年）。

为了提高磷的分离和回收效率，人们探索了各种物理化学改性和酸浸技术（Deng等人，2025年；Iwama等人，2020年；Lv等人，2023年；Lv等人，2025年）。Yang等人（2025年）发现Al?O?在调节炼钢渣中C?S-C?P固溶体的结晶过程中起着关键作用。最佳的Al?O?含量范围（6.39%–8.39%）可以增强磷的富集和浸出效率，而过量添加则会抑制相的形成并限制回收率。Lin等人（2014年）发现增加Al?O?含量可以促进磷从基体相向富磷相的迁移。在炼钢渣冷却过程中，最初沉淀的C?S-C?P固溶体与Al?O?反应，形成富磷固溶体和次级相（Ca?Al?SiO?）。Du等人（2017年）和Lin等人（2015年）报告称，添加Na?O有助于形成高水溶性的2CaO·SiO?-2CaO·Na?O·P?O?固溶体，从而提高了炼钢渣中磷的选择性浸出效率。He等人（2023年）证明，在脱磷渣中添加Fe?O?可以显著提高磷的回收率，P?O?的回收比达到83.09%。然而，由于C?S-C?P固溶体中P?O?的富集程度较低，磷的回收效率和磷酸盐产品的纯度往往较低。因此，开发一种更经济有效的方法来促进P?O?的富集和稳定含铁矿物相的形成，从而实现炼钢渣中磷的选择性浸出至关重要（Lv等人，2023年）。

同时，红泥（RM）——通过拜耳工艺生产氧化铝过程中产生的高碱性残留物——是另一种大规模工业废物，富含Fe?O?、SiO?、Al?O?和Na?O（Alkan等人，2019年；Suzuki等人，2023年；Zakira等人，2023年）。2024年，红泥的产量超过1.8亿吨，全球库存量超过40亿吨，但利用率仍低于7%（Cao等人，2024年；Nguyen等人，2022年；Wang等人，2025年；Wu等人，2024年）。持续的大规模堆积带来了显著的环境风险，并加剧了储存挑战。有趣的是，红泥具有强碱性（由于含有Na?O）和高含量的Fe?O?（Gu等人，2018年；Wang和Liu，2012年），这可以促进炼钢渣矿物相的重构，提高P?O?的富集程度，最终增加磷相的溶解度（Li等人，2025年）。

炼钢渣和红泥之间的这种互补化学性质激发了人们对它们协同使用的兴趣。通过将富含钙的炼钢渣与富含Fe、Al和Na的红泥结合，可以诱导可控的矿物转化，将含磷相转化为更易溶的形式（例如Na?Ca?P?O?或C?S-C?NP），从而实现磷的选择性浸出和回收（Lin等人，2018年）。这种方法不仅提高了磷的提取效率，还有助于固定含铁矿物相并中和红泥的碱性，从而降低整体环境影响（Liu和Wu，2012年；Zhang等人，2020年）。

最近的研究探索了炼钢渣（SS）和氧化铝残渣（RM）的各种共处理方法（Li等人，2025年）。Cao等人（2024年）表明，不锈钢渣和红泥的高温共处理通过尖晶石相的重构和高效的Cr固定提供了一种有前景的资源回收和污染控制途径。Zong等人（2018年）发现，在高温烧结过程中向炼钢渣中添加红泥可以诱导矿物相的重构，将混合工业废物转化为结构更紧密、环境稳定性更高的辉石基陶瓷。然而，大多数现有研究主要集中在相的形成或产品的再利用上，而炼钢渣-红泥共处理过程中磷的转化、溶解和回收机制仍不够清楚。

因此，本研究旨在开发一种综合的改性、选择性浸出和沉淀方法，用于炼钢渣和红泥的协同处理，以回收磷并最大化利用所有成分。具体目标如下：（1）了解在不同红泥剂量和温度下改性炼钢渣的热化学行为和矿物相转变；（2）阐明在稀酸条件下磷、钙、铁和铝的选择性浸出机制；（3）主要生成低杂质水平的羟基磷灰石沉淀物，并评估整体磷回收效率。这项工作为磷的回收和炼钢渣与红泥的协同处理提供了新的见解，有助于磷资源的可持续发展。

部分摘要

用红泥改性炼钢渣

图1展示了用红泥对炼钢渣进行高温处理，随后进行酸浸和沉淀的实验流程图。为了减少成分变化并专注于探索内在的相转变机制，开发了一种合成炼钢渣系统。使用试剂级CaO、SiO?、Fe?O?、P?O?、MgO和Al?O?制备了成分与工业渣相当的合成脱磷渣作为原料。氧化物混合物被均匀化

矿物学特性

如图2所示，使用FactSage模拟了炼钢渣的相转变，以研究红泥添加对矿物组成的影响。在未添加红泥的原始炼钢渣中，主要结晶相为Ca硅酸盐，如Ca?P?SiO??固溶体（C?S-C?P）、Ca磷酸盐（Ca?P?O?）、梅利石（Ca?(Fe, Al, Mg)Si?O?）和尖晶石（Fe?O?），而在高温下仅形成少量液相。当添加15 wt%的红泥时，形成了含Na和Al的相

结论

本研究开发了一种利用红泥作为改性剂通过矿物相重构从炼钢渣中回收磷的协同方法。红泥的添加显著影响了渣中含磷矿物相的分布。当添加15 wt%的红泥时，获得了有利的相分布，磷主要集中在Na-Ca-Si-P相中，而铁优先分配到RO相中。随后的弱酸浸出实验显示出对磷的选择性强

CRediT作者贡献声明

王建国：方法学、数据管理。卢子灿：形式分析、概念化。杜传明：撰写——审稿与编辑、监督、资源获取、资金争取。杨中华：撰写——初稿、软件使用、形式分析、数据管理

未引用的参考文献

Du等人，2024年；Lv等人，2025年；Yang等人，2025a；Yang等人，2025b；Yu等人，2022年。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号52474433）和辽宁省自然科学基金（编号2025-MS-030）的支持。