甘蔗渣协同拜耳法高效还原高铁铝土矿中赤铁矿的机制与资源化路径

针对高铁铝土矿拜耳法(Bayer process)中赤铁矿(Fe2O3)磁性弱、回收难的问题，研究人员创新性利用农业废弃物甘蔗渣(bagasse)作为还原剂，在280°C、Na2O浓度240 g/L条件下实现赤铁矿向磁铁矿(Fe3O4)的定向转化，铁氧化物还原率达95.41%，同步提升氧化铝回收率至89.11%，为赤泥(red mud)减量化与铁铝资源协同回收提供了绿色解决方案。

　　

全球氧化铝产业正面临资源与环境双重挑战。中国作为贡献全球60%产量的氧化铝生产大国，却仅拥有3%的铝土矿储量，每年需进口超60%的高铁铝土矿，由此产生堆积如山的赤泥——每吨氧化铝伴生1-2吨这种强碱性废弃物，其综合利用率不足10%，2024年中国赤泥堆存量已突破16亿吨。更棘手的是，传统磁选法对赤泥中弱磁性的赤铁矿(Fe₂O₃)回收效率低下，造成铁资源巨大浪费。

东北大学（注：根据CRediT声明中通讯作者Ting-an Zhang单位推断）的研究团队独辟蹊径，将目光投向制糖业废弃物甘蔗渣。这种富含纤维素的可再生资源，在高温碱液中能释放强还原性组分。研究人员构建模拟拜耳法体系，通过X射线荧光光谱(XRF)、X射线衍射(XRD)等先进表征手段，系统探究了甘蔗渣对赤铁矿的还原机制。

关键技术包括：1）建立模拟拜耳法消化系统（Na₂O 240 g/L，分子比3.1）；2）采用振动样品磁强计(VSM)分析磁性转化；3）结合激光粒度分析(LPSA)和静态沉降-ζ电位分析(SSZPA)评估矿物解离特性；4）通过气相色谱-质谱联用(GC-MS)解析还原反应路径。

温度与配比调控规律：

当温度从220°C升至280°C时，铁氧化物还原率从42.36%跃升至95.41%。甘蔗渣与赤铁矿质量比1:4时，还原效率达峰值。高碱环境(Na₂O 240 g/L)既促进甘蔗渣热解产生活性还原组分，又维持铁矿物稳定转化。

矿物相变机制：

赤铁矿(001)晶面在甘蔗渣作用下重构为磁铁矿(311)晶面，比表面积增大3.2倍。脱硅产物(DSP)与新生磁铁矿表面电位差达28.7 mV，促使矿物颗粒团聚生长，磁选回收率提升至87.15%。

工业验证效果：

在实际高铁铝土矿消化中，该工艺使氧化铝回收率与赤铁矿还原率分别达89.11%和87.15%，较传统铁粉还原法成本降低62%。

这项研究开创了农业废弃物协同冶金的新范式：甘蔗渣的碳中性特性使工艺碳足迹降低35%，每处理万吨赤泥可减排CO₂约800吨。该技术为落实中国《赤泥资源化利用专项行动方案》2030年25%利用率目标提供了关键技术支撑，实现了"以废治废"的循环经济理念。论文中揭示的碱热还原动力学模型，对复杂共生矿物的定向转化具有普适指导意义。