"钙化-钾碱"体系下水热浸出高岭石制备矿物硅钾肥的转化机制与资源化利用研究

针对拜耳法(Bayer process)中高岭石(kaolinite)导致氧化铝和碱损失、赤泥(red mud)污染等问题，研究人员创新性提出"钙化-钾碱"(CPA)工艺，通过KOH水热浸出将高岭石转化为钾霞石(KAlSiO4)，制备出符合农用标准的矿物硅钾肥，实现硅相矿物从有害杂质到农业资源的转变，为低品位铝土矿利用提供新思路。

　　

在氧化铝工业生产中，拜耳法(Bayer process)长期面临着一个棘手难题——铝土矿中的黏土矿物，特别是高岭石(kaolinite)，不仅会与氢氧化钠反应生成钠硅渣(DSP)，造成氧化铝和碱的损失，还会产生大量难以处理的赤泥(red mud)。据统计，赤泥堆存成本占铝产出总值的5%，且存在严重环境风险。随着我国高铝硅比(Al/Si>7)铝土矿资源日益枯竭，如何实现中低品位铝土矿的清洁利用，成为制约行业发展的关键瓶颈。

东北大学的研究团队独辟蹊径，提出"钙化-钾碱"(Calcification-Potash Alkali, CPA)创新工艺。他们用钾碱(KOH)替代传统钠碱(NaOH)，通过水热浸出将高岭石转化为含钾丰富的钾霞石(Kaliophilite, KAlSiO₄)，进而制备矿物硅钾肥。这项发表于《Applied Catalysis O: Open》的研究，为铝土矿硅相矿物的资源化利用开辟了新途径。

研究采用X射线衍射(XRD)、傅里叶红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)等技术系统分析了矿物转化过程。通过单因素实验确定了最佳浸出条件：温度200°C、钙硅比(Ca/Si)0.2、K₂O浓度160 g/L、反应时间60分钟。在此条件下，高岭石转化率高达98.9%。

研究结果揭示：

1. 热力学分析表明CPA体系中高岭石会优先转化为钾霞石而非钠硅渣，这为工艺设计提供了理论依据。
2. 物相表征显示产物钾霞石具有层状结构，其有效K₂O和SiO₂含量分别达12.20%和18.59%，完全符合农用肥料标准。
3. 重金属检测证实转化产物中重金属含量低于国家标准限值，可直接与有机物复配制备环保型硅钾肥。

该研究实现了三大突破：首先，将传统工艺中的"有害杂质"转化为高附加值农用产品；其次，通过钾碱替代解决了钠碱体系下的赤泥排放难题；更重要的是，为中低品位铝土矿的高效利用提供了全新解决方案。据测算，全球每年钾肥需求量超过3000万吨，这种以矿物废料为原料的新型肥料不仅具有成本优势，还能避免传统化肥导致的土壤退化问题，市场前景广阔。

研究人员特别指出，CPA工艺可与其他改良方法（如石灰拜耳法、焙烧浸出法等）形成技术互补，未来通过优化流程集成，有望实现铝土矿全组分的高效利用。这项研究不仅为氧化铝工业的绿色发展提供了关键技术支撑，也为跨行业的"固废资源化"实践树立了典范。