【原创】挑战世界性难题,赤泥综合利用有望成为氧化铝下一个利润风口


来源:中国粉体网   黑金

[导读]  赤泥碱性强、盐分高、具有放射性等特点制约了综合利用过程,尚未有经济有效的大规模处置及综合利用技术,致使全球利用率不足10%。挑战世界性难题,赤泥综合利用有望成为氧化铝下一个利润风口。

中国粉体网讯  赤泥是在提取氧化铝过程中产生的强碱性废渣。赤泥碱性强、盐分高、具有放射性等特点制约了综合利用过程,尚未有经济有效的大规模处置及综合利用技术,致使全球利用率不足10%。挑战世界性难题,赤泥综合利用有望成为氧化铝下一个利润风口。


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一、赤泥的产生与危害


赤泥是氧化铝生产过程中,铝土矿在强碱浸出时,由于矿石中的铁、钛等杂质与大部分的硅不溶解而形成的固体废渣,因多呈红色或褐色而得名。按照氧化铝生产方法的不同,赤泥可分为3类:拜耳法赤泥、烧结法赤泥和混联法赤泥。其中拜耳法是生产氧化铝的主要方法,其产量占全球氧化铝总产量的90%以上。


典型拜耳法氧化铝生产工艺过程中赤泥的形成


赤泥的堆放不仅占用土地和农田,污染土壤、水资源和大气,腐蚀建筑物和构筑物表面,甚至对环境造成放射性污染,而且还会造成其中有用组分的严重浪费。对此,如何解决氧化铝赤泥综合利用这一世界性难题,已引起世界各国的重视,而且有望扛起氧化铝下一个利润风口的大旗。


二、赤泥规模化利用迎来重大机遇


赤泥的产出量,不仅跟生产方法、技术水平有关,还会因矿石品位而异。按现有工艺和铝土矿组成,每生产1t氧化铝,将产生1.0~2.5t赤泥。我国是氧化铝生产大国,2019年中国氧化铝产量约为7247.4万吨,按每生产1吨氧化铝产生1.5吨赤泥计算,赤泥年排放量达到1亿吨左右。依据《2019-2020年中国大宗工业固体废物综合利用产业发展报告》等分析,2020年赤泥综合利用量为849万吨,综合利用率仅为8%,不到一成。这距离“十三五”时期提出的“到2020年赤泥综合利用率提高到10%”的政策目标还存在一定差距。


随着赤泥产出量的日益增加,以及人们对环境问题的不断重视,最大限度地综合利用赤泥,限制赤泥的危害,已迫在眉睫。这也是“十四五”时期,推进工业绿色发展需要解决的一项重要任务。新形势下,随着法律法规、政策、技术、环境等条件的变化,当前赤泥综合利用处于突破规模化利用的关键时期。


三、赤泥的综合利用


3.1制备工业建筑材料


由于赤泥中含有大量的SiO2、CaO以及铝硅酸盐,具有较好的水硬活性,故可将其用于建筑行业。


制备水泥


以赤泥为主要原料制备水泥或将其作为添加剂活化水泥,所得到的产品的抗压强度等性能均优于普通水泥。我国山东铝厂建成了综合利用赤泥的大型水泥厂,水泥原料中赤泥的用料比例为20.0%~38.5%,每吨水泥可资源化利用200~420kg赤泥,产出赤泥的综合利用率30%~55%。


制备砖


赤泥因具有一定的胶凝活性且能够激发粉煤灰、矿渣等材料的活性而具备制备免烧砖的条件。王伟广等利用赤泥、粉煤灰和骨料制得了抗压强度为21.35MPa的赤泥免烧砖。尹国勋等在赤泥与煤矸石质量配合比为20∶80,烧结温度为1100℃,成型压力为6MPa,保温2h的条件下,得到满足GB5101-2003要求的烧结砖。


制备微晶玻璃


陈朝铁以46%赤泥和48%粉煤灰为原料,在880℃核化2h,1160℃晶化2h情况下,制备出了满足JCT872—2000《建筑装饰用微晶玻璃》标准的微晶玻璃。通过分析,采用赤泥烧结法和熔融法均可制备弯曲强度高、硬度较好以及耐酸耐碱性优良的微晶玻璃,但能耗高且存在着碱性与放射性较高的问题。


3.2环保功能材料


治理废气


赤泥因其较大的比表面积和较高含量的固硫成分(CaO、MgO、Na2O及Fe2O3、Al2O3等),能够有效地吸附SO2、NO2、H2S等污染气体,可代替石灰等材料处理废气。韩敏芳等利用拜耳法赤泥捕集吸附CO2,同时达到赤泥脱碱的目的,在最佳试验条件下每克赤泥可吸附0.0263g的CO2,同时拜耳法赤泥的最大脱碱率为42.43%。


治理污染废水


赤泥可以作为一种廉价吸附剂吸附废水中的氟化物、砷、PO43-及放射性元素等,从而达到净化废水的效果。曾佳佳等以某赤泥为原料,通过焙烧的方法将其改性,并应用于含铬废水中Cr6+的吸附,考察了不同因素对改性赤泥去除Cr6+的影响。试验结果表明,在最佳的条件下,Cr6+去除率可达到97.63%。


在对废水中有害物质吸附的过程中,由于赤泥的微细粒度、复杂的组成和有毒有害物质的存在势必会影响水的浊度和毒性。所以,需对赤泥进行有效的活化和改性处理后,再用来净化废水。


修复土壤


Zhou等以赤泥和堆肥为原料研究了其对土壤重金属离子的修复效果。结果表明,赤泥和堆肥可降低土壤中Cu,Zn,Cd,Pb等重金属的含量,该技术适用于被重金属污染土壤的原位修正。


3.3制备新型功能材料


赤泥聚氯乙烯


近年来,在赤泥功能材料利用方面发展起来一种新型高分子材料—赤泥聚氯乙烯(赤泥PVC),它由赤泥填充PVC树脂制备而成。由于赤泥的化学成分、结构、粒级分布、比表面积和粒子间的结合力等特点,使得赤泥的性能优于一般常规塑料填料,所以赤泥PVC的多项性能优于普通PVC,赤泥较强的耐热、抗老化性,使赤泥PVC的寿命高达普通PVC的2到3倍;赤泥良好的流动性,使得赤泥PVC制品拥有较好的流动性;此外,赤泥PVC还具有较好阻燃性,可用来制备赤泥塑料太阳能热水器、塑料建筑材料等。


微孔铝硅钙隔热材料


中国铝业股份有限公司将赤泥、粉煤灰、水泥、石灰、石膏等粉体材料加入水中搅拌,同时加入相当于粉体材料的重量0-0.5%的减水剂,搅拌均匀成浆体后在常压下发泡,然后在高压下蒸养,然后制成了微孔铝硅钙隔热材料。此方法操作简单,重复性好。


3.4有价元素回收利用


赤泥中常含有多种有价金属,主要包括铁、铝、钛、钒、钪及稀土元素等,可作为潜在资源加以回收利用。如何在不产生二次污染的情况,有效、经济地提取并富集其中的有价元素,是赤泥提取有价元素的关键所在。



赤泥中主要的有价金属回收工艺


回收有价金属主要分为火法冶金和湿法冶金,其中,火法冶金早在多年前就被国外学者提出,并已有较为成熟的工艺,优点是可以分步回收铁、铝、钛、钪等金属,但其具有耗能高,工艺复杂,产生大量废气造成二次污染等缺点,不符合绿色环保的理念。湿法冶金通常包括预处理,酸浸,溶剂萃取,沉淀和煅烧等步骤,优点是简化工艺流程、节约能源,更安全环保。但由于赤泥高碱性,存在酸耗量大、杂质元素共同浸出、干扰后续分离、废酸难处理等缺点。对此可以采用水浸或焙烧减小耗酸量,并选用合适的分离纯化工艺提高目标金属回收率。其次,根据废酸的物理化学性质进行再回收利用。


3.5在其他方面的应用


生产陶瓷


利用赤泥可以生产釉面多孔陶瓷滤球、陶粒石油支撑剂等符合国家标准的产品。这对赤泥的综合利用来说是一个突破性的进展。如王萍等利用赤泥,配合煤矸石、粉煤灰等制备陶粒,由于赤泥中CaO、Na2O、Fe2O3含量高,SiO2、Al2O3含量低,所以以赤泥为原料制成的陶粒,膨胀倍数小,容重偏大,膨胀温度范围较窄。


作为共还原工艺中的添加剂


赤泥作为共还原工艺中的添加剂可降低生产成本,同时可回收赤泥中的铁,经还原得到的镍铁产品可直接作为不锈钢的原料,还可实现低品位红土镍矿和赤泥的全资源化利用;此外,也给赤泥与各种难处理铁矿石共还原提供了思路,具有十分广阔的前景。


制备充填料和氢化反应催化剂


燕昭利等综述了赤泥作为氢化催化剂被用于煤、生物质、油页岩、某些有机化合物和石油渣油的加氢饱和反应,并与其他铁系催化剂和商业催化剂进行了比较分析,指出拜耳法赤泥是现有商业催化剂的一种良好替代品。


小结


赤泥的综合利用属于世界性的难题。目前,对赤泥的处理一是将其作为原料整体加以利用,二是提取其中的有用成分,但由于赤泥的特殊性质,在其综合利用方面还存在不少问题。如利用赤泥制备建筑材料虽然性能较好,但利用率较低、成本高,存在碱性与放射性较高的弊端;赤泥在环保中的应用可将赤泥变废为宝,解决部分环境问题,但流程复杂,且对于吸附了废气和重金属的赤泥仍无法利用;从赤泥中提取有价金属元素工艺复杂,大多停留在实验室阶段。


赤泥的综合利用,是氧化铝行业发展过程中不可回避的难题,仍需各方做出大量努力,尤其需要突破关键技术难点。本着“系统化,零排放”的原则,研发联合回收新技术,优化现有工艺,实现赤泥综合回收利用的减量化、资源化和无害化。


参考资料:

柳晓等.赤泥的危害及其综合利用研究现状

吴世超等.赤泥综合利用现状及展望

王璐等.赤泥中有价金属提取与综合利用进展

赵琳等.氧化铝赤泥的产生、危害及处置方式初探

李义伟等.赤泥综合回收利用研究进展及展望

赛迪研究院.赤泥综合利用正处于实现规模化利用的关键时期

元洲环保.重磅!我国氧化铝固废综合利用发展情况  


(中国粉体网编辑整理/黑金)

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作者:黑金

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