流化床均相结晶技术选择性回收赤泥废水中铁铝的绿色工艺研究

本研究针对赤泥(Bayer process副产品)高碱度、重金属污染难题，开发了无晶种两段式流化床均相结晶(FBHC)技术，在pH 4.0±0.2(Fe)和pH 9.5±0.3(Al)条件下分别回收Fe(OH)3和Al(OH)3晶体，回收率达99.89%/99.6%，产物纯度与球形形貌(0.5–1.0 nm)显著优于传统异相结晶，为赤泥资源化提供新范式。

　　

赤泥——这种源自铝土矿拜耳法(Bayer process)冶炼的红色废渣，每年全球产量高达1.5亿吨，其强碱性(pH 10-12.5)和富含铁铝的特性，犹如一柄环境与资源双重属性的"达摩克利斯之剑"。越南Tan Rai等铝厂堆积如山的赤泥，不仅造成土地资源浪费，更因Fe₂O₃、Al₂O₃等金属组分随雨水渗漏威胁生态系统。传统化学沉淀法产生的污泥含水量高、纯度差，而引入硅砂等晶种的异相结晶又会导致产物污染。如何"变废为宝"实现金属的高效回收，成为摆在环境科学家面前的重大课题。

越南国立大学河内分校(QG.23.78项目资助)的The Anh Luu团队在《Sustainable Chemistry One World》发表突破性研究，开发出无需晶种的流化床均相结晶(Fluidized Bed Homogeneous Crystallization, FBHC)新工艺。该技术通过精确控制pH梯度和流体动力学参数，在单反应器中实现Fe³⁺/Al³⁺的连续分离：首先采用SEM-EDS/XRD联用技术确认原料组成，随后通过pH溶解度实验确定最佳沉淀窗口；建立两段式FBHC系统，前段在pH 4.0±0.2、水力停留时间(HRT) 30分钟条件下优先结晶Fe(OH)₃，后段调节至pH 9.5±0.3、上升流速25.0 m/h回收Al(OH)₃；最终通过FTIR和晶体形貌分析验证产物纯度。

材料与方法
研究采用越南Lam Dong省真实赤泥浸出液(Fe 413 mg/L, Al 339.4 mg/L)，通过pH-stat动态调控系统维持反应稳定性。关键创新在于：①采用流体力学模拟优化床层膨胀度，使微晶在流化状态下完成奥斯特瓦尔德熟化(Ostwald ripening)；②引入回流装置强化传质，结晶比(%CR)提升至99%以上；③通过响应面法确定HRT与上升流速的协同效应。

结果与讨论

1. 金属分离机制：基于Fe³⁺/Al³⁺水解常数差异(pH 4时Fe溶解度0.1mg/L vs Al 100mg/L)，实现选择性沉淀。
2. 结晶动力学：Fe(OH)₃在U=25 m/h时形成0.8 nm均质球晶，XRD显示典型纤铁矿(Lepidocrocite)特征峰。
3. 经济性评估：较传统工艺减少75%污泥量，回收1吨Al(OH)₃可抵消83%处理成本。

这项研究开创了赤泥资源化的新路径：FBHC技术不仅解决晶种污染难题，其产生的纳米级Fe(OH)₃可作为Fenton催化剂前驱体，而高纯度Al(OH)₃能用于阻燃剂合成。正如通讯作者Van Giang Le指出："该工艺将危险废物转化为标准化工业原料，完美契合循环经济理念"。未来研究可探索稀土元素的协同回收，进一步提升经济效益。