基于Arrhenius方程的高硫铝土矿碱性氢还原反应动力学研究及其在绿色冶金中的应用

本文创新性地提出碱性氢还原-低温氧化-磁选（Alkaline Hydrogen Reduction-Low Temperature Oxidation-Magnetic Separation）新工艺，通过氢还原焙烧实现黄铁矿型硫转化率达99.0%、铁还原率95.7%，采用随机成核与生长模型（Avrami-Erofeev方程）揭示反应动力学机制（表观活化能21.193 kJ/mol），为高硫铝土矿绿色脱硫与铁铝资源协同利用提供突破性解决方案。

　　

Experimental materials and methods

本实验采用贵州高硫铝土矿（high-sulfur bauxite）、高纯度氧化钙（CaO，纯度≥99.99%）、氢气（H₂，99.99%）和氮气（N₂，99.99%）作为原料。为精准解析矿物组成，将原矿粉末通过200目筛后进行X射线衍射（XRD）、X射线荧光（XRF）和库仑测硫仪分析，主要成分包括一水硬铝石（diaspore）、高岭石（kaolinite）、伊利石（illite）、黄铁矿（pyrite）及少量石英（quartz）。

Experimental results and discussion

通过热重-差示扫描量热（TG-DSC）分析高硫铝土矿与氧化钙混合粉末的反应特性。升温程序设定为：室温至反应温度区间以20 K/min速率升温，氮气（N₂）氛围保护；达到反应温度后维持60分钟，切换为氢氮混合气（H₂/N₂）氛围。曲线显示在氢还原阶段出现显著放热峰与质量变化，表明硫化物与氧化物发生剧烈固相反应。采用等温动力学分析结合Arrhenius方程拟合，揭示反应符合随机成核与后续生长模型（Avrami-Erofeev模型），表观活化能低至21.193 kJ/mol，证实该过程受界面化学反应控制。

Conclusion

本研究开创的碱性氢还原工艺成功实现高硫铝土矿中硫相转化率99.0%与铁还原率95.7%，同步解决含硫烟气排放与铁资源浪费难题。关键结论如下：

（1）一水硬铝石与高岭石发生热分解生成无定型氧化铝（Al₂O₃）和活性硅酸钙（Ca₂SiO₄）；

（2）黄铁矿（FeS₂）被氢气还原为金属铁（Fe）并同步与氧化钙反应生成硫化钙（CaS）；

（3）低温氧化阶段CaS转化为稳定硫酸钙（CaSO₄），彻底消除对后续浸出工艺的影响；

（4）动力学研究表明反应受随机成核机制主导，低温条件下即可实现高效反应。