综述：高效计算方法确定各向异性晶体中刃型位错极限速度

《Materials》：Computationally Efficient Method for Determining Limiting Velocities of Edge Dislocations in Anisotropic Crystals

　　

随着全球铝工业的快速发展，铝渣作为铝生产过程中产生的危险固体废物，其产量逐年增加。铝渣不仅含有大量有害物质，如氮化铝、氟化物和氯化物，还含有宝贵的资源，如金属铝和氧化铝（Al₂O₃）。本综述总结了铝渣的来源、组成及其对环境和人类健康的危害，重点关注铝渣的无害化处理和资源化利用技术。无害化处理技术包括脱氮、脱氟和脱氯，主要分为湿法冶金（hydrometallurgical）和火法冶金（pyrometallurgical）方法。在资源化利用方面，一次铝渣（PAD）主要用于通过热处理和冷处理提取金属铝，而二次铝渣（SAD）可用于制备耐火材料、建筑材料、水处理剂和提取氧化铝（Al₂O₃）。本综述还比较了当前铝渣处理技术的优缺点，并概述了未来研究方向，旨在为铝工业的可持续发展和环境保护提供参考。

**1. 引言**
铝渣是铝生产过程中产生的危险固体废物，国际上分为白渣和黑渣，而中国学术文献中常采用一次铝渣（PAD）和二次铝渣（SAD）的术语。随着全球铝工业的快速发展，铝渣产量逐年增加。2015至2025年间，全球原铝和再生铝产量均稳步增长。2025年，中国原铝和再生铝产量分别占全球的61.03%和27.36%。铝工业每生产1吨熔融铝，一次铝渣（PAD）和二次铝渣（SAD）的生成量分别为3–5%和8–15%。2020年，铝渣被正式列入中国《国家危险废物名录》，属于废物有色金属矿采选和冶炼类别（HW48）。铝渣的堆存和填埋处理不仅占用大量土地资源，还会污染土壤和地下水；在潮湿环境中，氮化铝（AlN）与水反应生成氨气（NH₃），造成空气污染并危害人体健康。铝渣并非简单的废物，而是富含金属铝和氧化铝（Al₂O₃）等宝贵资源的二次资源，具有显著的资源回收潜力。实现铝渣的资源化利用和无害化处理，既关乎铝工业的可持续发展，也对环境保护具有重要意义。

**1.1. 铝渣的来源与化学组成**
铝渣主要来源于电解铝、铸造铝和再生铝等过程。在电解铝过程中，难熔杂质和添加剂在熔融铝表面累积并与空气氧化形成渣；阴极衬里更换和设备维护也会产生固体废物。铸造铝时，合金化处理和浇铸产生大量铝渣。随着原铝资源日益稀缺，再生铝行业逐渐以废铝和铝锭为主要原料，在重熔、精炼、合金化和浇铸等多个阶段均产生铝渣。每吨熔融铝可产生80–150 kg铝渣残渣。根据生产工艺和铝含量，铝渣通常分为一次铝渣（PAD）和二次铝渣（SAD）。一次铝渣（PAD）是电解和铸造铝加工过程中直接产生的副产品，富含金属铝，呈灰白色颗粒状，可直接作为再生铝工业原料。二次铝渣（SAD）是一次铝渣（PAD）重熔或回收铝锭后产生的废物，金属铝含量较低，盐和有害物质含量较高，呈黑色细颗粒，处理难度更大。一次铝渣（PAD）和二次铝渣（SAD）的实际成分因生产工艺、原料和后续处理阶段而异。二次铝渣（SAD）的化学组成因来源不同差异显著，其矿物相包括氧化铝（Al₂O₃）、镁铝尖晶石（MgAl₂O₄）和氮化铝（AlN）。镁铝尖晶石（MgAl₂O₄）具有优异的热震稳定性和耐腐蚀性，是高值耐火材料的优质原料。二次铝渣（SAD）的平均粒径约为4–20 μm，细粒径有利于提高浸出效率和烧结反应活性。

**1.2. 铝渣的危害**
铝渣因复杂的化学组成和有毒物质含量高而被归类为危险废物。铝渣中的氮化铝（AlN）、碳化铝（Al₄C₃）和金属铝具有强化学活性，遇水后迅速水解，释放出氨气（NH₃）、甲烷（CH₄）和氢气（H₂）等有害气体。氨气有毒且具有刺激性，甲烷和氢气易燃易爆，在储存、运输和处置过程中存在严重安全隐患和环境风险。此外，铝渣中的氟化物和氯化物水溶性高，随意堆存会导致这些有害物质渗入土壤和地下水，造成盐渍化和污染。铝渣中的砷（As）、铅（Pb）、镉（Cd）等重金属离子也会污染土壤和水体，影响作物生长和人体健康。因此，必须对铝渣进行无害化处理，使其能够作为二次资源利用。

**2. 铝渣的无害化处理**
铝渣含有大量氮化铝（AlN）、氟化物和氯化物等有害物质，无害化处理至关重要。目前的解毒技术主要分为湿法冶金（hydrometallurgical）和火法冶金（pyrometallurgical）路线，旨在去除或稳定这些有害成分。湿法冶金技术操作方便，但处理效率有限；火法冶金技术可实现高效处理，但能耗高。未来可尝试开发湿法-火法联合处理工艺，例如先用湿法预处理去除氮、氟、氯等有害成分，再用火法深度处理，以实现处理效率与能耗的优化平衡。传统添加剂如氢氧化钠（NaOH）和氧化钙（CaO）能有效促进反应进程，但可能产生二次污染并增加成本，未来应开发绿色环保添加剂。此外，无害化处理过程中产生的氨气和含氟废水等副产品具有回收价值，可转化为经济产品。

**2.1. 脱氮处理**
氮化铝（AlN）的去除至关重要，因为其水解会产生有毒且易燃的氨气（NH₃）。脱氮可通过湿法冶金水解或火法冶金氧化烧结实现。

**2.1.1. 湿法**
湿法脱氮方法存在水解产物包裹氮化铝颗粒抑制反应的问题。通过精确控制水解温度、反应时间和固液比等参数可有效提高水解效率。添加氢氧化钠（NaOH）可生成可溶性铝酸盐，提高脱氮率。Lin等人提出钙驱动水解法，添加氯化钙（CaCl₂）促进氢氧化铝（Al(OH)₃）转化为Al(OH)₄^?，降低反应活化能，提高脱氮率。水解产生的氨气可用冷冻水回收为工业氨水，既减少污染又产生经济效益。

**2.1.2. 火法**
氧化烧结可消除铝渣的反应活性，将氮化铝（AlN）转化为氧化铝（Al₂O₃）和氮气（N₂）。烧结温度对脱氮率有显著影响，在50–900 °C范围内，脱氮效率随温度升高而显著增加；但在1000–1100 °C时，进一步升温的促进作用减弱。实际工业应用中需综合考虑脱氮效果与能耗，确定最佳工艺参数。

**2.2. 脱氟处理**
氟化物因水溶性高而具有危害性，可通过湿法浸出或火法高温固化实现脱氟。

**2.2.1. 湿法**
湿法脱氟通过水洗或碱浸去除可溶性氟化物。单纯水洗效率较低，添加氢氧化钠（NaOH）可增强氟化物溶解。也可在洗涤液中加入钙盐（如氯化钙CaCl₂），使氟离子（F^?）反应生成不溶于水的氟化钙（CaF₂）沉淀，实现脱氟，但会增加处理成本。

**2.2.2. 火法**
火法脱氟技术通过高温焙烧将铝渣中的氟化物转化为稳定化合物。将铝渣与氧化钙（CaO）和氢氧化钠（NaOH）混合后高温焙烧，氟化物转化为稳定的氟化钙（CaF₂）。该方法氟化物稳定化效果优异，但能耗高，且可能释放气态氟化物，需配备严格的废气处理系统。

**2.3. 脱氯处理**
氯化物来自铝熔炼中使用的覆盖熔剂和精炼剂，具有高水溶性和腐蚀性，需要在处置或再利用前有效去除。

**2.3.1. 湿法**
湿法脱氯是最直接且成本效益最高的方法，因为大多数氯化物易溶于水。水洗可高效将氯离子（Cl^?）转移至液相，在优化条件下去除率超过95%。碱性溶液可与铝渣中的氯化物反应生成更易溶于水的氯化物，从而提高脱氯率。主要挑战是产生高盐度废水，可通过蒸发结晶回收氯化钠（NaCl）和氯化钾（KCl）作为有价值的副产品。

**2.3.2. 火法**
火法脱氯涉及高温焙烧（通常>1000 °C），并添加氧化钙（CaO）、碳酸钠（Na₂CO₃）、氢氧化钠（NaOH）等，将氯化物转化为稳定化合物固定在炉渣中。该方法虽能有效固定氯化物，但能耗高，且可能释放腐蚀性氯化氢（HCl）气体，导致设备腐蚀并需要昂贵的废气处理。因此，湿法洗涤仍是工业上脱氯的首选方法，火法仅用于特定与热工过程集成的应用场景。

**3. 一次铝渣（PAD）的资源化利用**
在中国，大多数企业将资源化利用重点放在一次铝渣（PAD）上。一次铝渣（PAD）中金属铝含量为50%–80%，提取金属铝具有高经济价值，技术相对成熟。从一次铝渣（PAD）中提取金属铝的技术主要包括热处理、冷处理及两者结合。

**3.1. 热处理**
热处理技术的核心是通过高温热源对一次铝渣（PAD）进行加热，使金属铝熔化为液态，利用密度差使熔融铝在重力作用下沉降聚集，从而实现分离。热处理包括炒灰法和回转炉法。炒灰法是将热铝渣倒入倾斜铁锅中，利用铝渣余热机械搅拌分离熔融铝。回转炉法利用铝渣潜热，在回转窑中连续运动使金属铝完全熔化并聚集流出。热处理方法操作简单，但金属铝回收率较低，且过程会产生污染物。

**3.2. 冷处理**
冷处理方法包括机械筛分法和电选法。机械筛分法通过机械破碎和细磨后，利用振动筛或气流分离按粒径高效分离铝颗粒和灰分。静电分离法利用铝的导电性，在高压电场下使金属铝定向迁移，实现分离。冷处理方法操作简单、能耗低，但适用范围窄，仅能处理冷铝渣，且回收率有待优化。

**3.3. 冷热联合处理**
冷热联合处理结合了热处理和冷处理的优点，可有效处理已存放一段时间的冷铝渣，实现高铝回收率（超过80%），但工艺复杂、设备要求高。该技术提取的金属铝碳足迹仅为铝生产碳足迹的5%。

**3.4. 一次铝渣（PAD）回收的技术经济分析**
处理1000 kg一次铝渣（PAD）理论上可产出150–750 kg金属铝。提取铝后的剩余残渣基本转化为二次铝渣（SAD）。几种主要技术的成本、二次废物和回收产品市场价格存在差异。一次铝渣（PAD）资源化利用的主要目标是最大限度提取金属铝，同时注重提取过程中的环境保护，提取后的残渣可作为二次铝渣（SAD）进一步利用。

**4. 二次铝渣（SAD）的资源化利用**
二次铝渣（SAD）的资源化利用途径多样化。

**4.1. 耐火材料**
二次铝渣（SAD）因高氧化铝（Al₂O₃）含量成为耐火材料制造的重要原料。镁铝尖晶石（MgAl₂O₄）具有高熔点、低膨胀系数、强耐腐蚀性和良好热震稳定性等优异性能。研究人员利用二次铝渣（SAD）和氧化镁（MgO）在高温下反应生成镁铝尖晶石，并引入铁氧化物生成铁铝尖晶石（FeAl₂O₄）和镁铁铝尖晶石（MgFeAlO₄），显著提高耐火材料的稳定性和机械强度。此外，还可制备钙长石/镁铝尖晶石复合材料、陶瓷烧结砖、轻质耐火材料等。二次铝渣（SAD）在耐火材料生产中的应用可显著降低生产成本，但杂质含量高，易形成低熔点化合物或玻璃相导致材料性能劣化。未来应开发新型烧结助剂体系以降低烧结温度，并开发更高效的预处理工艺。

**4.2. 建筑材料**
二次铝渣（SAD）可用于制备高性能建筑材料，如砖、水泥和多孔陶瓷。利用二次铝渣（SAD）和电石渣通过超高压接触成型技术可制备高性能砖，抗压强度达60 MPa。二次铝渣（SAD）还可用于制备非粘土砖、无水泥砖、超高性能混凝土（UHPC）、硫铝酸盐水泥基注浆材料、活性粉末混凝土（RPC）和多孔金属陶瓷复合材料。二次铝渣（SAD）中的铝酸盐组分可促进水泥水化，提高混凝土强度和耐久性。二次铝渣（SAD）还可作为波特兰水泥熟料的原料，替代天然铝土矿。但在建筑材料中大规模应用前，需系统评估重金属在长期服役过程中的浸出风险，并建立统一的国家标准和浸出试验阈值。

**4.3. 混凝剂**
二次铝渣（SAD）中的氧化铝（Al₂O₃）可用于制备聚合氯化铝（PAC）和硫酸铝等混凝剂，用于饮用水净化和污水处理。研究人员成功利用二次铝渣（SAD）制备了液体聚合氯化铝（PAC），其氟化物和重金属残留浓度满足污水综合排放标准。二次铝渣（SAD）残渣还可用于制备铁基催化剂（FAS）用于光催化降解四环素，去除率高达92.2%。铝渣还可封装在海藻酸钙珠中用于人工湿地系统去除磷酸盐和氨氮。未来需加强最终产品中重金属残留的监测和质量控制。

**4.4. 提取氧化铝（Al₂O₃）**
从二次铝渣（SAD）中提取氧化铝（Al₂O₃）的方法主要包括碱烧结法、碱浸法、酸浸法和碱-酸联合法。碱烧结法在铝渣处理中具有显著技术优势，相比之下碱用量较少，提取效率高，且无需使用耐酸材料，维护成本低。碱烧结法主要使用氢氧化钠（NaOH）或碳酸钠（Na₂CO₃）作为活化剂。混合辅助剂（NaOH-Na₂CO₃）可产生协同效应，降低共熔点，提高氧化铝（Al₂O₃）浸出率，最高可达94.23%。碱浸法利用氧化铝（Al₂O₃）的两性特性，用碱性溶液溶解，浸出率可达98.6%，但温度较高（>200 °C），能耗高。酸浸法使用盐酸或硫酸，浸出率为78.56%–91.5%，但存在非铝杂质共溶问题，导致产品纯度低。碱-酸联合法结合两者优点，可获得高纯度氧化铝（Al₂O₃）（纯度高达99.2%），但工艺繁琐，酸碱消耗大。未来研究应聚焦于开发新型复合添加剂以降低烧结温度、研究选择性浸出技术以提高纯度，以及加强提取过程废渣的综合资源化利用，实现“零废物”策略。

**4.5. 技术经济分析与政策建议**
基于典型二次铝渣（SAD）成分，假设100%回收其有价值组分，初步技术经济评估显示，每吨二次铝渣（SAD）可回收多种资源，其经济价值和环境效益显著。但需建立统一的国家标准以推动大规模应用。

**5. 结论**
铝渣的资源化利用是推动危险固体废物解毒和铝工业循环经济发展的重要方向。一次铝渣（PAD）可通过冷热联合工艺实现高金属铝回收，二次铝渣（SAD）已成功用于制备耐火材料、建筑材料、混凝剂和氧化铝（Al₂O₃）。主要技术挑战源于铝渣成分复杂多变，导致产品性能不一致；现有预处理工艺脱氮效率低或能耗高；缺乏统一的解毒和资源化产品国家标准，以及二次铝渣（SAD）基建筑材料和混凝剂长期环境风险评估不足。未来应重点建立长期浸出监测和生命周期评估模型，加速制定分类标准和使用规范，开发“梯级利用”模式，通过预处理技术、标准完善和风险管理的协同创新，实现铝渣的高值、大规模和环境安全利用。