基于生物质热化学转化的赤泥资源化与金属回收可持续路径研究

推荐：为解决赤泥(red mud)堆积带来的环境风险及资源浪费问题，研究人员创新性地提出同步赤泥还原与生物质气化(SRG)技术，首次实现Fe3+ 在900°C下完全还原为零价铁(Fe0 )，并通过XRD/XPS验证。该研究为赤泥中铁和稀土元素(REEs)回收提供绿色方案，同时提升合成气(CO/H2 )产率，兼具环境与经济效益。

　　

赤泥是氧化铝精炼过程中产生的危险废弃物，全球年产量达1.75亿吨，其强碱性(pH 10-13)和含重金属特性对生态环境构成严重威胁。传统堆存处理不仅占用大量土地，更造成铁(Fe₂
O₃
含量高达50wt%)、稀土(REEs>1000ppm)等宝贵资源的浪费。现有酸浸法提取稀土面临铁共溶、高耗酸等瓶颈，而传统碳热还原需1500°C高温且依赖化石燃料，环境足迹显著。如何实现赤泥绿色资源化，成为制约铝工业可持续发展的世界性难题。

针对这一挑战，来自未知机构的研究团队在《Bioresource Technology》发表突破性研究，首次阐明生物质热化学转化驱动赤泥还原的SRG(Simultaneous Red mud reduction and biomass Gasification)机制。通过精确控制温度梯度与反应界面，成功在900°C实现Fe³⁺
→Fe⁰
的完全转化，为赤泥中铁与稀土元素的协同回收开辟新路径。

研究采用热重分析(TGA)与固定床反应器联用技术，结合X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)等表征手段。实验选用土耳其ETI Aluminum提供的赤泥样本（含铁24.2wt%）与松木锯末（生物质），通过温度程序控制解析反应动力学，并对比钙质赤泥(RML)的影响。

3.1 SRG反应机制
研究揭示SRG包含四步连续反应：150-650°C阶段生物质热解挥发分将赤泥中Fe₂
O₃
还原为Fe₃
O₄
；650-775°C碳酸盐分解释放CO₂
触发焦炭气化；775-860°C焦炭将Fe₃
O₄
进一步还原为FeO/Fe⁰
；860-950°C通过CO/CO₂
氧传输循环实现深度还原。关键发现是生物质比例提升至2:5时（RM₅₀
/BIOM₂₀
），XRD显示Fe⁰
特征峰显著增强。

3.2 钙质赤泥的影响
含17.5wt%Ca的RML样本中，碳酸盐分解促进焦炭气化但抑制铁还原。XRD显示950°C处理后仍存在Fe₃
O₄
，表明CaO会改变Fe-O-C体系平衡。这提示需针对不同赤泥成分优化工艺参数。

3.3 固定床验证
250g规模实验证实SRG可提升合成气产率：CO峰值浓度达12vol%，H₂
产率因水煤气变换反应(WGSR)提高。GC/MS分析显示赤泥使生物油中芳香化合物增加60%，含氧组分（酸类、呋喃）减少80%，证实其催化提质作用。固体产物XRD检测到Fe⁰
与铁碳马氏体，为磁选回收奠定基础。

该研究突破性地将赤泥处理与生物质转化耦合，建立"以废治废"的循环经济模式。SRG技术相比传统方法降低40%能耗（无需1500°C熔炼），每吨赤泥可回收120kg零价铁，同时获得高附加值合成气与芳烃油。研究为全球40亿吨堆存赤泥的资源化提供可行方案，推动铝工业向碳中和目标迈进。未来研究可探索SRG与稀土浸出工艺的集成，以及反应器放大设计，加速技术产业化落地。