《Journal of Cleaner Production》：Sustainable utilization of red mud and coal gasification fine slag for iron recovery and cementitious material preparation
编辑推荐：
红泥与煤气化细渣协同增值化利用研究提出两阶段工艺：首先利用CGFS残余碳作为还原剂，通过共还原焙烧-磁选获得铁含量56.03%的磁选精矿，回收率17.28%；尾料经水玻璃活化与高炉渣补强制备新型碱激发水泥材料，28天抗压强度达37.95MPa，抗硫酸盐腐蚀系数0.9959。该技术突破传统分步处理模式，实现工业固废资源化闭环。
邱俊|刘浩泽|闫正清|王嘉珍|王淑娴|刘晓|崔凯博|吴鹏
山东科技大学化学与生物工程学院，青岛，266590，中国
摘要
红泥（RM）是一种富含铝和铁的副产品，而煤气化细渣（CGFS）则富含硅和碳，这两种废物的大量堆积构成了严重的环境问题。本研究提出了一种两阶段综合工艺，通过利用它们的独特化学性质来协同利用这些废物。首先，利用CGFS中的残留碳作为原位还原剂，通过共还原焙烧从红泥中回收铁，随后进行干法低强度磁选，得到了总铁（TFe）品位为56.03%、回收率（ε）为17.28%的磁性精矿。热力学、相分析和微观结构分析证实了铁矿物被还原为磁铁矿的过程，并且没有发生过度还原。其次，富含活性Al-Si相的铁分离尾矿被直接重新用作基于RM-CGFS的碱激活水泥材料（RCAM）的前体。通过添加高炉矿渣（BFS）的水玻璃激活和机械激活处理，RCAM在28天后的抗压强度达到了37.95 MPa。微观结构分析表明其强度来源于钙（钠）铝硅酸盐氢氧化物（C/N-A-S-H）相的致密凝胶基质。RCAM满足了商用波特兰矿渣水泥的要求，并且表现出更高的早期强度和0.9959的硫酸盐腐蚀抗性系数。这种废物转化为资源的综合途径为同时管理两种主要工业固体废物提供了可行的解决方案，支持了更加资源高效的建设。
引言
铝土矿精炼和煤化工行业是现代工业化的支柱，需要可持续的方法来平衡经济增长与环境保护。在中国，作为世界上最大的氧化铝生产和煤炭消费国，环境压力尤为严峻（国际铝业协会，2025年；张等人，2023年）。2024年，中国生产了8581万吨氧化铝，同时产生了大量红泥（RM），这是一种高碱性的副产品（国际铝业协会，2025年；李等人，2024年）。红泥含有Al2O3、Fe2O3和Na2O，以及微量放射性元素，这给其利用带来了障碍。同样，煤气化通过与所述气体反应将煤炭转化为合成气，产生煤气化渣（CGS）作为固体残渣（何等人，2022年）。中国每年的CGS产量超过7100万吨，其成分复杂，包括SiO2、Al2O3和残留碳（魏等人，2024年；张等人，2025a）。CGS的堆积不仅占用土地，还会释放重金属，严重污染周围土壤和水体（张等人，2025b）。煤气化细渣（CGFS）作为CGS的主要成分，由于其细小的颗粒尺寸，更具有环境威胁，极大地阻碍了其回收利用。由于RM（<15%）和CGS（31.6%）的利用率较低，开发协同利用技术对于实现中国的“双碳”目标至关重要（李等人，2024年；魏等人，2024年）。
目前RM和CGS的利用策略主要集中在回收有价值的成分、生产建筑材料或合成功能性材料（韩等人，2024年；马等人，2026年；牛和林，2024年；薛等人，2023年）。红泥中的铁是一种有价值的资源，可以通过高温下的火法冶金技术提取为磁铁矿（Fe3O4）或金属铁（Fe）（吴等人，2024年）。例如，袁等人使用CO和H2作为还原剂进行悬浮磁化焙烧，将赤铁矿（Fe2O3）和针铁矿（FeOOH）转化为Fe3O4，得到了总铁（TFe）品位为55.54%、回收率（ε）为95.22%的铁精矿（袁等人，2020年）。同样，余等人利用CO还原红泥，得到了TFe品位为55.44%、ε为89.34%的磁性精矿（余等人，2022年）。然而，这些过程依赖于外部还原剂（如CO和H2），增加了成本和工艺复杂性。这种依赖性提供了一个独特的协同机会：CGFS中的残留碳可以作为原位、低成本的还原剂（韩等人，2025年）。大量研究表明，CGS可以在各种系统中作为还原剂使用。例如，宋等人使用CGS作为还原剂从钢渣中回收铁，证明了其残留碳可以在多固体系统中驱动碳热还原（宋等人，2025年）。薛等人通过重力分离富集CGS中的残留碳，然后用富含碳的部分对海洋锰结核进行还原焙烧（薛等人，2024年）。赵等人将CGS与煤矸石共焙烧以回收其中的铁和铝（赵等人，2024年）。金等人也探索了将RM与煤矸石共焙烧，得到了TFe品位为57.25%、ε为65.22%的铁精矿（金等人，2021年）。尽管取得了这些进展，但一个综合性的工艺，能够协同利用富含硅和碳的CGFS以及富含铝和铁的红泥来回收铁，并将产生的尾矿完全转化为水泥材料，仍然不完善。本研究旨在建立一种针对性的废物到废物的协同利用机制，其中CGS不仅作为还原剂，还作为共基质。铁回收后，尾矿表现出适合水泥材料合成的定制化学和矿物学性质。
第二阶段的增值对于真正的循环经济解决方案至关重要。磁选尾矿富含Al2O3和SiO2等关键氧化物。由于之前的高温共焙烧过程，它们的火山灰活性预计会得到增强，使其成为有前景的建筑材料前体。先前的研究已经证明了使用RM和CGS的可行性。艾等人研究了RM-偏铝土矿聚合物，并报告了含有50% RM的蒸压样品的峰值抗压强度为36.3 MPa（艾等人，2021年）。李等人发现，从CGS中筛出0.15–2.36 mm的颗粒并与普通波特兰水泥混合，可以生产出高强度的水泥材料。他们表明，碱和硫酸盐共激活增强了水化热释放，从而提高了抗压强度（李等人，2022年）。刘等人从RM和CGS合成了地质聚合物，并观察到CGS显著影响了水化产物的形成。虽然较高的RM用量降低了抗压强度，但未反应的颗粒通过填充孔隙增强了基体的强度（刘等人，2025b）。然而，这些研究大多使用的是原始或经过最小程度预处理的废物，很少考虑铁回收步骤后产生的尾矿。因此，之前的共还原焙烧和碱激活对水化机制和宏观性能的协同效应尚未得到充分探索。因此，需要一种系统的方法来优化磁选尾矿的配方和激活条件，超越简单的混合，以开发高性能材料。
本研究提出了一种两阶段框架，用于分阶段回收和利用富含硅和碳的CGFS以及富含铝和铁的RM。首先，开发了一种共还原焙烧工艺，然后通过干法低强度磁选回收铁。该工艺将含铁矿物转化为Fe3O4，同时系统研究了RM与CGFS的质量比、焙烧时间和温度对磁性精矿的TFe品位和ε的影响。热力学计算用于阐明焙烧机制。其次，使用铁分离尾矿（第二阶段筛分后的小颗粒部分和磁选尾矿的混合物）制备了基于RM-CGFS的碱激活水泥材料（RCAM）。评估了碱激活剂类型、高炉矿渣（BFS）含量和机械激活时间对RCAM抗压强度的影响。采用X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外（FTIR）光谱、热重分析和导数热重分析（TG-DTG）以及扫描电子显微镜（SEM）结合能量色散光谱（EDS）等多种分析方法来阐明水化产物和机制。这项研究提供了一种将两种工业废物转化为有价值产品的综合策略，提供了关于它们协同利用的基本见解，并提出了一个循环经济模型。
部分摘录
原材料
红泥来自中国山东魏桥铝电有限公司。CGFS由中国山东兖矿科技有限公司提供，BFS由中国山东沈飞安达环保材料有限公司提供。粗泥浆的灰分含量为34.52%，来自中国山东新文矿业集团有限公司，用于共还原焙烧过程中防止再氧化。所有原材料在100°C下干燥24小时。
RM与CGFS的质量比和焙烧温度的影响
使用第2.2.1节描述的优化流程，研究了RM与CGFS的质量比和焙烧温度对铁回收的影响。焙烧时间固定为90分钟，RM在总进料中的比例从75%调整到90%，以5%的间隔变化，焙烧温度在650°C到800°C之间以50°C的间隔变化。
如图3a所示，磁性精矿的TFe品位保持相对较高，波动在55.60%到56.08%之间。
结论
本研究通过结合共还原焙烧、干法低强度磁选以及从铁分离尾矿制备RCAM，展示了RM和CGFS的高价值利用途径。可以得出以下结论：
(1)在优化条件下（750°C，90分钟，RM:CGFS = 85:15），磁性精矿的TFe品位达到56.03%，γ为11.00%，ε为17.28%。XRD、SEM-EDS和热力学分析表明Fe2O3得到了控制还原。
CRediT作者贡献声明
邱俊：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，项目管理，资金获取。刘浩泽：撰写 – 审稿与编辑，方法学，研究，概念化。闫正清：撰写 – 原稿，资源，方法学，形式分析，概念化。王嘉珍：软件，资源，数据管理。王淑娴：验证，软件。刘晓：撰写 – 审稿与编辑，资金获取，概念化。崔凯博：撰写 – 审稿与编辑，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了山东省自然科学基金（项目编号：ZR2024ME082）、国家重点实验室矿物加工开放基金（项目编号：BGRIMM-KJSKL-2025-03）以及山东科技大学人才引进和科研启动基金（项目编号：skr21-3-C-108）的支持。
