综述：铝灰处理技术创新：中国安全处置与高效利用的综合策略

《Materials》：Innovation in Aluminum Dross Processing: Comprehensive Strategies for Safe Disposal and Efficient Utilization in China

　　

随着全球铝工业的快速发展，铝灰作为铝生产过程中产生的危险固体废弃物，其产量逐年增加。铝灰不仅含有大量有害物质，如氮化铝(AlN)、氟化物和氯化物，还富含金属铝和氧化铝等有价值的资源。本文总结了铝灰的来源、组成及其对环境和人类健康的危害，重点阐述了铝灰的无害化处理与资源化利用技术。无害化处理技术包括脱氮、除氟和脱氯，主要分为湿法冶金和火法冶金两类方法。在资源化利用方面，一次铝灰(PAD)主要通过热处理法和冷处理法提取金属铝，而二次铝灰(SAD)可用于制备耐火材料、建筑材料、水处理剂以及提取氧化铝。本文还比较了当前铝灰处理技术的优缺点，并展望了未来的研究方向，旨在为铝工业的可持续发展和环境保护提供参考。

1. 1.
   引言
   铝灰是铝生产过程中产生的危险固体废弃物。国际上通常将铝灰分为白灰和黑灰，而中国学术界传统上采用一次铝灰(PAD)和二次铝灰(SAD)的术语。随着全球铝工业的快速发展，铝灰产量逐年递增。过去十年间，全球PAD和SAD的产量呈现持续上升趋势。2025年，中国原铝产量达到4503万吨，再生铝产量约为1160万吨，分别占全球总量的61.03%和27.36%。在铝工业生产过程中，原铝和再生铝工艺每生产1吨熔融铝分别产生3–5%的PAD和8–15%的SAD。基于这些数据，中国当前的铝灰年产量已超过300万吨。2020年，铝灰被正式列入《国家危险废物名录》，属于有色金属采选和冶炼废物(HW48)。中国铝灰年产量高达350万吨以上，大部分铝灰采用填埋方式处理，对环境构成重大风险。铝灰的堆存和填埋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，铝灰中的氮化铝(AlN)会与水反应生成氨气，造成空气污染并直接危害人体健康。一方面，铝灰填埋会对环境和人类健康造成严重危害；另一方面，铝灰并非简单的废弃物，而是富含金属铝和氧化铝等有价值材料的资源，在资源循环利用领域展现出巨大的发展潜力和应用前景，同时也能带来显著的经济和环境效益。因此，如何实现铝灰的资源化利用和无害化处理，不仅关乎铝工业的可持续发展，对环境保护也具有重要意义。响应国家绿色低碳工艺理念，探索高效环保的铝灰处理和资源化利用技术已成为解决制约铝工业可持续发展问题的关键。
   1.1. 铝灰的来源与化学组成
   铝灰主要来源于电解铝、铸造铝和再生铝等工艺过程。在电解铝加工中，难熔杂质和添加剂在熔融铝表面聚集并与空气接触氧化从而形成浮渣。此外，电解槽内衬更换和设备维护也会产生固体废弃物。在铸造铝操作中，电解铝液的合金化处理和铸造会产生大量铝灰。随着原生铝资源日益稀缺，再生铝行业已逐步转向以废铝和铝锭为主要原料。在这些材料的加工过程中——涵盖重熔、精炼、合金化和熔融铸造——从废铝表面氧化到精炼过程中的杂质沉淀、合金化反应产物以及铸造过程中的残留表面材料，多个阶段均会产生铝灰。每吨熔融铝可产生80–150公斤铝灰残渣，因其质量达不到铝冶炼行业要求而被废弃。根据生产工艺和铝含量，铝灰通常分为PAD和SAD。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，外观呈灰色或白色颗粒状，可直接回收作为再生铝工业的原料。SAD则是PAD中的铝锭经重熔或回收后产生的废弃物，金属铝含量较低，盐和有害物质含量较高，呈细黑色颗粒状，处理难度更大。PAD和SAD的实际组成因生产路线、原料和后续处理阶段的不同而有显著差异。SAD的化学组成在不同来源之间变化很大。SAD的矿物相与其化学组成同等重要，因为它们既决定了环境危害也决定了资源化利用潜力。SAD含有大量的氧化铝(Al₂O₃)、镁铝尖晶石(MgAl₂O₄)和氮化铝(AlN)。MgAl₂O₄尖晶石具有优异的抗热震性和耐腐蚀性，是高附加值耐火应用的优质原料。这些物相共存——需要去除的有害AlN、可回收的Al₂O₃和有附加值的MgAl₂O₄尖晶石——突显了SAD兼具环境负担和潜在资源的双重属性。SAD的平均粒径大约在4至20微米之间，很大程度上取决于预处理条件。这种细小的粒径有利于提高SAD的浸出效率和烧结反应性。SAD粉末呈现出轮廓清晰的规则形状和光滑的表面，几乎无粘附的细小颗粒。
   1.2. 铝灰的危害
   鉴于铝灰对人类健康和环境的重大挑战，中华人民共和国生态环境部发布了《国家危险废物名录(2025年版)》，将铝液电解过程中熔融金属表面产生的一次铝灰以及再生铝过程中产生的二次铝灰纳入其中。自《中华人民共和国环境保护税法》实施以来，铝灰等危险固体废物的处置需缴纳每吨1000元人民币的环境保护税。在这些政策约束下，产灰企业面临的环保监管日趋严格，合规处置成本显著增加。如何将铝灰安全处置并实现其高附加值资源化利用已成为产业发展的关键问题。铝灰因其复杂的化学组成和高含量的有毒物质被归类为危险废物，必须遵循危险废物管理规程，不得随意丢弃。铝灰含有氮化铝、碳化铝和金属铝，这些物质具有较强的化学活性，接触水后会迅速发生水解反应，释放氨气、甲烷和氢气等有害气体。氨气有毒且具有刺激性，而甲烷和氢气不仅易燃易爆，在特定浓度条件下还可能引发爆炸，在储存、运输和处置过程中构成严重的安全隐患和环境风险。碳化铝的水解方程式为：Al₄C₃ + 12H₂O = 4Al(OH)₃ + 3CH₄。金属铝的水解方程式为：2Al + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂。值得注意的是，由于原生Al₂O₃钝化层的存在，该室温下的反应动力学受到阻碍，导致析氢量可忽略不计，仅在苛刻的热条件或存在侵蚀性离子物种(如Cl^?盐)的情况下才会变得显著。因此，堆存的铝灰存在巨大安全隐患，在雨天或潮湿天气下可能对环境和人类健康构成严重威胁。此外，铝灰中的氟化物和氯化物具有高水溶性，随意堆存会导致这些有害物质渗入土壤和地下水，造成土地和地下水盐碱化及污染。重金属离子如As、Pb和Cd也会污染土壤和水体，影响作物生长和人类健康，堆存还消耗大量土地资源，是一种浪费。综上所述，从铝灰的产生途径和化学组成分析，铝灰的临时堆存对环境和生态造成一定破坏，有必要对其进行无害化处理，使铝灰成为二次资源。
2. 2.
   铝灰的无害化处理
   铝灰含有大量的氮化铝、氟化物和氯化物等有害物质，因此使其无害化尤为重要。当前的脱毒技术主要分为湿法冶金和火法冶金两种路线，目标是去除或稳定这些有害组分。目前，湿法和火法技术在脱氮、除氟和脱氯方面各有优缺点。湿法冶金技术操作方便，但处理效率在一定程度上受限。火法冶金技术能够实现高效处理，但运行过程中能耗较高。未来研究可尝试开发湿法和火法联合处理工艺，例如利用湿法进行预处理初步去除氮、氟和氯等有害组分，再采用火法进行深度处理，以在处理效率和能耗之间实现最佳平衡。目前，NaOH和CaO等传统添加剂能有效促进反应进程并提高处理效率，但在实际应用中存在潜在风险，可能导致二次污染并增加生产成本。因此，未来研究应侧重于开发绿色环保添加剂，在确保污染物高效处理的同时将对生态环境的负面影响降至最低。此外，无害化处理过程中产生的氨和含氟废水等副产物具有较高的回收价值，通过适当的资源回收技术可将其转化为具有经济价值的产品，从而降低处理成本，提高经济效益和整体资源利用效率。
   2.1. 脱氮处理
   去除AlN至关重要，因为其水解会产生有毒且易燃的NH₃气体。脱氮通过湿法水解或火法氧化烧结来实现。典型湿法和火法工艺的脱氮性能已有比较研究。
   2.1.1. 湿法
   湿法脱氮存在一些关键问题，其中水解产物对氮化铝颗粒的包裹显著抑制了水解反应的进行，导致反应速率逐渐降低。为有效提高水解效率，可通过多种手段优化反应条件：精确控制水解温度、合理调整反应时间以及优化固液比等关键参数。这些措施能有效改善反应动力学，从而显著提高整体水解效率。在一定范围内，较高的水解温度、较长的反应时间和较好的脱氮效果之间存在相关性。研究人员发现，随着液固比的增加，SAD的脱氮率呈现缓慢上升趋势。在无添加剂的情况下，铝灰的水解产物主要是Al(OH)₃和NH₃。使用纯水水解氮化铝会导致氢氧化铝包裹氮化铝颗粒，不仅脱氮率低，而且耗水量大。为提高脱氮率，可添加添加剂以优化水解过程。AlN与NaOH的水解反应方程式为：AlN + 3NaOH = Na₃AlO₃ + NH₃，以及AlN + NaOH + H₂O = NaAlO₂ + NH₃。在AlN水解过程中，不仅产生阻碍进一步水解的Al(OH)₃，还形成可溶性的Na₃AlO₃和NaAlO₂，覆盖部分AlN表面，从而提高脱氮率。另有研究人员提出了一种钙驱动水解脱氮方法：添加CaCl₂促进Al(OH)₃向Al(OH)₄^?转化，推动AlN的水解，降低反应活化能，从而提高脱氮率。对于水解过程中产生的易燃氨气，可利用冷冻水将氨回收为工业氨水，既能减少污染又能产生经济效益。
   2.1.2. 火法
   氧化烧结可以消除铝灰的反应活性，将氮化铝转化为氧化铝和氮气。烧结温度对铝灰脱氮率有显著影响。当温度在50至900°C之间时，氮化铝的脱氮效率随温度升高而显著增加。然而，当温度升至1000至1100°C之间时，进一步提高温度对脱氮率的促进作用明显减弱。因此，为实现高效脱氮和成本控制双重目标，在实际工业应用中需要综合考虑脱氮效果与升温带来的能耗增加之间的平衡，并确定最佳工艺参数。
   2.2. 除氟处理
   氟化物因其高水溶性而在堆存时导致土壤和地下水污染，被视为危险物质。除氟通过湿法浸出或火法高温固化来实现。典型湿法和火法工艺的除氟性能已有比较研究。
   2.2.1. 湿法
   湿法除氟通过水洗或碱浸去除可溶性氟化物。简单水洗通常效率不高，但添加NaOH可通过形成可溶性氟配合物或竞争阴离子效应来增强氟化物的溶解。氟离子也可通过向洗涤液中添加钙盐(如CaCl₂)来去除，钙盐与氟离子反应生成不溶于水的CaF₂沉淀，从而实现除氟，但钙盐的使用确实增加了处理成本。
   2.2.2. 火法
   火法除氟技术旨在通过高温焙烧将铝灰中的氟化物转化为稳定化合物，从而实现除氟。将铝灰与CaO和NaOH混合并高温焙烧，可将氟化物转化为稳定的CaF₂，从而实现除氟。尽管该方法实现了优异的氟稳定化效果，但其能耗高，并可能释放气态氟化物，需要严格的废气处理系统。
   2.3. 脱氯处理
   氯化物来源于铝熔化过程中使用的覆盖熔剂和精炼剂。它们具有高水溶性和腐蚀性，在处置或再利用前需要有效去除。湿法和火法工艺的相关过程和脱氯效率已有总结。
   2.3.1. 湿法
   湿法脱氯是最直接且最具成本效益的方法，因为大多数氯化物易溶于水。水洗能将Cl^?高效地转移到液相中，在优化条件下去除率超过95%。碱性溶液可与灰渣中的氯化物反应生成更易溶于水的氯化物，因此可在水溶液中添加碱以提高脱氯率。主要挑战是高盐废水的产生，可通过蒸发结晶回收NaCl和KCl作为有价值的副产物来管理。
   2.3.2. 火法
   火法脱氯涉及高温焙烧(通常>1000°C)并添加CaO、Na₂CO₃、NaOH等添加剂，将氯化物转化为固定在炉渣中的稳定化合物。尽管该方法能有效固定氯化物，但能耗密集，并可能释放腐蚀性HCl气体，导致设备劣化并需要昂贵的废气处理。因此，湿法水洗仍是工业上首选的脱氯方法，而火法仅用于下游与热处理过程集成的特定应用场景。
3. 3.
   一次铝灰(PAD)的资源化利用
   在中国，大多数企业的资源化利用工作集中在PAD上。从PAD中回收铝的研究起步较早，且从PAD中回收金属铝具有很高的经济价值，金属铝的回收率在50%至80%之间，应用相对成熟。从PAD中提取金属铝的技术主要包括热处理、冷处理以及两者结合的方法。尽管热处理和冷处理技术已达到相对成熟的阶段，但在提高金属铝回收率方面仍有潜力。后续研究可从两个维度突破：一是系统探索和精确优化温度和处理时间等工艺参数，挖掘现有技术的潜在效能；二是专注于研发新型分离技术，通过技术创新进一步提高金属铝回收率。从国际产业视角来看，PAD处理的成功不仅以回收率为衡量标准，还以净熔损和回收金属的化学成分为衡量标准。净熔损考虑了二次处理过程中的灰渣产生率和回收率，被认为是衡量铸造车间避免金属氧化能力的最佳指标。
   3.1. 热处理
   热处理技术的核心是通过高温热源对PAD进行加热处理。在高温环境下，铝灰中的金属铝逐渐被加热至熔点并转变为熔融状态；由于液态金属铝与固体杂质之间的密度差异，熔融铝在重力作用下自然下沉并聚集在容器底部；通过使用底部的排放装置排出熔融铝，可实现金属铝与杂质的有效分离，从而完成金属铝的回收和提纯。电解和重熔铝生产企业通常选择热处理技术提取铝。热处理提取PAD中的金属铝包括炒灰法和回转窑法。热处理技术操作简单，可用于工业生产。然而，金属铝回收率较低，且过程会产生污染物。因此，需要进一步优化以提高回收率并减少污染物的产生。炒灰法的工艺流程如下：将热铝灰倒入倾斜放置的铁锅中，利用铝灰的余热通过机械搅拌装置不断搅拌。通过在铁锅底部分离熔融铝，实现金属铝的高效回收。该方法充分利用了铝灰的余热，降低了额外的能源消耗，同时依靠铝的润湿作用和重力沉降作用，实现了铝与其他杂质的有效分离，达到了回收金属铝的目的。回转窑法与炒灰法在处理原理上具有相似之处，均基于高温处理实现金属铝与杂质的分离。然而，由于两种方法采用的设备结构不同，在操作、处理效率和应用场景上存在显著差异。PAD含有固有的潜热。在高温回转窑处理过程中，热铝灰在回转窑内不断运动并反复混合，使金属铝完全熔化。由于铝熔体与铝灰中其他组分的润湿性差，且两者密度差异大，熔体因自身重力和流动性差异继续聚集在回转窑底部，随后连续流出，从而实现铝的提取。在铝灰热处理过程中，需要添加一定量的盐类熔剂以促进铝灰液体铝的分离。然而，热处理工艺会产生新的污染物，给后续处理带来更大挑战并显著增加处理难度。研究人员发现，将SAD与硫酸铵混合并焙烧能够形成易浸出的硫酸铵铝，从而实现铝资源的高效回收。还有研究人员发现，在火法冶金回收金属铝的过程中添加盐熔剂具有多重功能：盐熔剂能有效抑制高温下铝的氧化，使更多的铝以液态析出，还能去除杂质，净化和精炼金属铝。盐熔剂还能改善铝液的流动性，降低熔体的熔点，使金属铝在相对较低的温度下熔化，从而降低能耗，但会增加渣量和生产成本。炒灰法和回转炉法操作便利性显著，工艺流程相对简单，易于掌握和实施。然而，这些方法在金属铝回收方面存在明显不足，铝的回收率普遍较低，难以实现高效的资源利用。此外，由于工艺特点，回收现场容易产生粉尘和高温，操作人员长期暴露于恶劣的工作条件下，存在职业安全风险。
   3.2. 冷处理
   冷处理方法包括机械筛分法和电选法。冷处理工艺操作简单、能耗低，适用于小规模处理，但应用范围窄，只能处理冷铝灰，且需要进一步优化以提高回收率。机械筛分法是一种高效且易于操作的铝灰回收方法。经过机械破碎和精细研磨后，利用振动筛或气流分选按尺寸高效分离铝颗粒和灰分。该方法提高了铝回收率，适用于处理来自不同来源的PAD的企业。静电分离法基于铝的导电性，利用金属铝与杂质组分之间显著的导电性差异实现高效分离。在高压电场作用下，导电性良好的金属铝定向迁移，而杂质组分不受影响，从而实现金属铝的纯化。与其他铝灰处理方法相比，静电分离法的回收率相对较低，应用场景存在局限性，主要适用于冷铝灰的处理。该技术和设备简单且能耗低。研究人员采用喷射气流分散结合高压电晕分离回收金属铝，经过三步静电分选后，金属铝含量从8%提高到31%。
   3.3. 冷热结合处理
   冷热结合处理是将热处理法与冷处理法相结合的金属铝回收方法，结合了热处理和冷处理的优点。冷热结合处理技术能有效处理已堆存一段时间的冷铝灰，对不同堆存期的冷铝灰表现出良好的适用性，并能实现较高的铝回收率；然而，该工艺复杂且对设备要求较高。通过机械筛分和自热熔炼，铝回收率可超过80%，且该技术应用提取的金属铝碳足迹低，仅为铝生产碳足迹的5%。
4. 4.
   二次铝灰(SAD)的资源化利用
   本节重点介绍SAD多样化的资源化利用途径。
   4.1. 耐火材料
   耐火材料通常需要高熔点和高热稳定性。SAD因其高氧化铝含量而成为耐火材料制造的重要原料。SAD在耐火材料领域应用前景广阔，资源利用率高且耐火性能优良。然而，该工艺复杂且对设备要求高，需要进一步优化以提高材料性能。镁铝尖晶石(MgAl₂O₄)是一种具有优异性能的耐火材料，如高熔点、低膨胀系数、强耐腐蚀性、良好的化学稳定性和优良的抗热震性。研究人员利用铝灰制备了以MgAl₂O₄为主晶相、CaAl₂O₄为次晶相的高铝耐火材料。另有研究发现，增加氧化镁添加量显著改善了材料的弯曲强度和冲击韧性，这归因于晶粒尺寸的均匀化和微裂纹的消除。在1600°C的烧结温度下，他们制备了显气孔率为18.2%、体积密度为2.92 g/cm³的氧化镁和镁铝尖晶石耐火材料。研究人员利用SAD中的氧化铝与氧化镁在1600°C下反应生成镁铝尖晶石，轧钢铁鳞中的铁氧化物也参与反应生成铁铝尖晶石(FeAl₂O₄)和镁铁铝尖晶石(MgFeAlO₄)，这些尖晶石相的存在显著提高了耐火材料的稳定性和机械强度，样品的冷压强度在76.79 MPa至95.67 MPa之间。研究人员通过将SAD、轧钢铁鳞和石墨混合并在1550°C空气气氛下进行燃烧反应，成功合成了铁铝尖晶石，反应产物的性能与商业铁铝尖晶石耐火材料相当。研究人员利用SAD、氧化钙和氧化镁在1500°C下烧结3小时，制备了钙长石/镁铝尖晶石复合材料，其显气孔率为33.87%，抗压强度为40.18 MPa。研究人员使用SAD和工业重烧镁砂制备了抗压强度为42.81 MPa的镁铝尖晶石耐火材料。研究人员以质量比3:3:4混合SAD、赤泥和硅酸盐尾矿，在1120°C下烧结2小时，制备了陶瓷烧结砖，该方法生产的烧结砖性能优异，抗压强度达83.04 MPa，展示了SAD与其他废渣的协同利用，为制备耐火材料提供了新思路。研究人员将铝灰混入塑性粘土和高岭土中制备了保温耐火砖，可承受高达1200°C的温度。轻质耐火材料也可利用SAD和粉煤灰制备，添加减水剂和粘结剂。铝灰的高氧化铝含量与粉煤灰中硅铝比的协同效应可有效提高耐火材料的强度和耐热性。研究人员通过SAD酸浸、轻度脱硅以及与轻烧氧化镁复合形成富镁烧结体系制备了镁铝尖晶石耐火材料。当轻氧化镁添加量为20%、烧结温度为1600°C、烧结时间为3小时时，制备了体积密度为2.76 g/cm³、显气孔率为21.85%的镁铝尖晶石。研究人员以SAD为原料，经过碱浸、稀酸除杂和烧结，制备了高性能镁铝尖晶石-刚玉复合耐火材料。与耐火砖相比，陶瓷具有更广泛的经济效益。研究人员添加不同量的镍铁渣，发现随着镍铁渣添加量的增加，促进了莫来石中紫色的形成和微观结构的致密化，紫色-莫来石陶瓷的孔隙率从41.7%下降到34.4%，当镍铁渣添加量为20%时，抗压强度达到52.8 MPa。研究人员以SAD为原料，通过氮化还原反应合成了β-Sialon陶瓷，发现随着Si/Al的增加，β-Sialon晶粒的长径比迅速增加，最终变为纤维状。研究人员利用SAD和硅灰制备了莫来石致密陶瓷：当材料中硅含量增加时，孔隙率和体积密度下降；然而，当温度从1300°C升高到1500°C时，它们呈现相反的趋势；并且当材料中莫来石含量增加时，高莫来石含量试样的显微硬度为10.2 GPa，抗压强度为16.9 MPa。迄今为止，研究已证明可以SAD为主要原料成功制备多种高性能耐火材料，如镁铝尖晶石、耐火砖和陶瓷。这些材料不仅表现出优异的耐高温性能，其机械强度也满足工业应用要求。铝灰在耐火材料生产中的应用可显著降低生产成本，但其杂质含量高，在实际生产中容易形成低熔化合物或玻璃相，导致材料性能恶化；当前技术侧重于高温烧结，未来研究应转向开发新型烧结助剂体系，在保持材料性能稳定性的基础上有效降低烧结温度，从而降低能耗。此外，还需要开发更高效的预处理工艺，以解决现有预处理工艺技术路线复杂且难以工业化的问题。
   4.2. 建筑材料
   许多研究表明，铝灰有潜力用于制备高性能建筑材料，可用于制备砖、水泥和多孔陶瓷等多种材料，并能改善材料性能，实现废物的资源化利用并减少环境污染。未来应优化工艺，加强长期性能研究，以促进铝灰在建筑材料中的大规模应用。研究人员利用超高压接触成型技术，以SAD和电石渣为原料制备了高性能砖。通过实验得出，当以SAD为原料并在300 MPa压力下自然养护3天时，所制备的建筑材料抗压强度为60 MPa，抗折强度为1.3 MPa。研究人员以SAD和废玻璃为原料，通过高温烧结制备了非粘土砖。废玻璃促进了高密度陶瓷相的形成，并增强了砖体性能。铝灰中的活性组分可与水泥中的钙离子反应生成水合硅酸钙凝胶，从而提高混凝土的强度和耐久性。铝灰作为水泥掺合料可有效改善混凝土的工作性和力学性能。铝灰中的氧化铝和硅酸盐组分可替代部分水泥原料，降低水泥生产成本，并提高水泥的早期强度和耐久性。研究人员发现，利用SAD制备免烧砖的最佳配比为：SAD 68.3%、水泥11.4%、熟石灰6.4%、石膏4.2%和工程砂9.7%。所得免烧砖的抗压强度、抗冻性和吸水率均达到MU20性能等级。该研究结果为铝灰在免烧砖制备中的应用提供了理论基础，可有效减少铝灰堆存和环境污染。研究人员研究了SAD和废粉煤灰对超高性能混凝土(UHPC)性能的影响，发现当SAD与废粉煤灰的质量比为1时，UHPC表现出最佳性能，电阻率降至最低值，坍落度达到234.6 mm，最小塑性粘度为10.7 Pa·s，最小屈服剪切应力为2.3 Pa。同时，SAD延缓了混凝土的初凝时间，工作性和流动性显著改善，整体性能也得到增强。研究人员研究了SAD烧结磨细粉对硫铝酸盐水泥基灌浆材料性能的影响，发现当SAD烧结磨细粉含量为15%时综合性能最优，能促进水泥水化并稳定重金属，但长期抗压强度会随掺量增加而下降。研究人员利用硫酸铝混凝剂生产过程中产生的铝灰制备复合水泥，铝灰含量在8%至10%之间。研究人员发现，添加SAD可提高新拌活性粉末混凝土(RPC)的导电性，SAD的掺入能显著改变试样的微观结构，减少水化产物的絮凝，并产生大量六方片状Ca(OH)₂。此外，增加的水化产物提高了RPC在28天养护后的密实度，从而提高了机械强度。研究人员以SAD和赤泥为原料，通过热处理工艺合成了抗压强度为17.77 MPa的多孔金属陶瓷复合材料，并以SAD和氧化钙为主要原料制备了抗压强度为12.44 MPa的多孔陶瓷材料。研究人员研究了SAD替代混凝土中水泥的影响，发现SAD不应用于C60高强度混凝土，但当SAD替代水泥不超过10%时，不会显著影响C30混凝土的抗压强度，并可降低施工成本。SAD的非金属残渣一个特别有前景的应用是作为波特兰水泥熟料生产的原料。熟料配料的主要成分是石灰、二氧化硅、氧化铝和氧化铁，使得富含氧化铝的SAD残渣成为天然铝土矿的潜在替代品。研究人员开展了一系列相关研究，采用经过水热处理去除盐和氮化物的黑灰浸出残渣替代2%和4%的生料。结果表明，所生产的水泥满足所需的力学性能，并具有与参考样品相当的水化行为。在后来的研究中，盐渣水洗残渣被完全替代生料中的铝土矿(4.5%)，成功生产出C3A含量为11.2%的熟料，最终水泥满足52.5强度等级的要求。这些研究表明，经过适当预处理去除卤化物和氮化物等有害组分后，SAD或盐渣残渣可以有效地安全地用作水泥制造中的宝贵资源，为填埋提供了可持续的替代方案。在建筑材料领域，SAD的应用研究已取得显著进展。然而，值得注意的是，铝灰中潜在的重金属可能在建筑材料长期使用过程中浸出，对环境和人类健康构成风险。因此，在铝灰大规模应用于建筑材料之前应进行系统评估，深入研究其在不同环境条件下的长期性能，并开发针对性技术。然而，此类评估目前受到缺乏国家统一浸出试验规程和可接受阈值标准的阻碍，这使得跨研究比较和监管决策变得困难。通过技术创新和工艺优化，应有效消除潜在安全隐患，为铝灰在建筑材料中的大规模应用提供技术支持。浙江省某新材料技术公司建成了中国首套具有完全自主知识产权的大规模工业化工艺和设备，通过关键技术突破，实现了铝灰的高效资源转化，不仅能回收其中的铝元素，还能脱氨固氮，将灰渣转化为新型建筑砖。全过程零废水废渣排放，铝灰综合利用率达100%，实现了延伸绿色产业链的目的。
   4.3. 混凝剂
   混凝剂的适用范围广泛，不仅可用于饮用水净化处理，还可用于生活污水综合治理，在工业废水处理中也发挥重要作用。聚合氯化铝(PAC)是一种混凝剂，高活性的铝酸钙(CA)是铝基混凝剂的重要原料，可用于制备优质聚合氯化铝。铝灰是电解铝工业的主要副产品，近年来其在混凝剂生产中的应用逐渐受到关注。铝灰含有大量的铝和氧化铝，这些组分可用作水处理剂的原料。迄今为止，已利用SAD中的氧化铝成功制备了PAC。硫酸铝在水中可发生水解和聚合，能有效去除水中的色度、细菌、杂质和异味，因此是水处理行业中常用的混凝剂。研究人员研究了从SAD生产硫酸铝的工艺，考察了各种因素对生产效率的影响，调整了浸出工艺参数，降低了浸出温度，实现了高达90.1%的铝浸出率，从而获得了高质量的硫酸铝产品。研究人员研究了从SAD生产液体聚合氯化铝的工艺。通过检测不同企业生产的PAC样品，发现部分样品中氟化物和重金属(如Mn、Zn、Cu和Ni)的残留浓度满足污水综合排放标准，符合资源化和无害化的环保要求。研究人员研究了利用SAD残渣制备铁基催化剂(FAS)用于光催化降解水中四环素，在可见光照射下对四环素的去除率达到92.2%，并在多次循环使用后保持高催化活性。铝灰还可用于湿地系统去除水中的营养物质(如磷酸盐和氨)。研究人员研究了将铝灰封装在藻酸钙珠中用于垂直流人工湿地(VF-CW)和漂浮人工湿地(FCW)系统中去除磷酸盐和氨，在VF-CW系统中，铝灰珠对磷酸盐和氨的去除率分别为85%和93.44%。在FCW系统中，磷和氨的去除率分别为79.18%和65.45%。此外，使用铝灰珠还能抑制藻类生长，降低富营养化风险。通过合理利用SAD中的铝和氧化铝，可将SAD转化为水处理剂，这不仅能实现铝灰的资源化利用，还能有效去除水中的污染物，减少环境污染。然而，SAD中的污染物残留和处理工艺优化仍是未来研究的重点领域。随着进一步研究和工艺改进，加强最终产品中重金属残留的监测并建立严格的质量控制，SAD在混凝剂中的应用将更加广泛和高效。
   4.4. 提取氧化铝
   从SAD中提取氧化铝的工艺主要包括碱烧结法、碱浸法、酸浸法和碱-酸联合法。然而，这些技术面临氧化铝提取效率低、能耗和物耗高、废渣量大以及工艺流程复杂等挑战，限制了其工业应用。碱烧结法在铝灰处理中显示出显著的技术优势：与碱浸法相比，碱烧结法用碱量少，且在处理铝灰时提取效率更高，因此不需要使用耐酸材料制作设备，大大降低了维护成本。然而，酸浸法在氧化铝纯度方面不如碱烧结法。在工艺流程复杂性方面，碱-酸联合法不如碱烧结法简洁高效。碱烧结法更具工业推广和应用的可行性。
   基于当前技术的发展趋势，未来研究的重点可集中在以下几点：(1)开发新型复合添加剂，通过协同效应降低碱烧结工艺所需的温度，从而实现节能降耗；(2)研究选择性浸出技术，利用化学性质差异精确分离杂质，提高碱浸和酸浸工艺中氧化铝产品的纯度；(3)加强对提取过程中废渣的综合资源化利用研究，通过技术创新实现固体废弃物的高附加值利用，促进全过程的高效资源转化和循环利用。
   4.4.1. 碱烧结法
   碱烧结工艺能耗高且对设备腐蚀严重。铝灰中的杂质元素(如Fe和Si)影响氧化铝的提取纯度并增加后续处理难度。碱烧结工艺中主要使用两种活化剂体系：(1)NaOH烧结活化铝灰反应温度低、速率快、废渣量少，但强碱腐蚀容易导致设备耐久性变差且成本高。(2)Na₂CO₃烧结活化铝灰在环保、经济性和设备友好性方面表现突出，有效降低了处理成本和设备腐蚀，但需要更高的烧结活化温度，这成为其应用的制约因素。研究人员研究了用NaOH-Na₂CO₃混合助剂焙烧从SAD中提取Al₂O₃的工艺。结果表明，在800°C焙烧60分钟、80°C浸出1分钟、液固比15的条件下，Al₂O₃的浸出率达到92.29%。研究人员采用单一稀碱浸出路线提取氧化铝焙烧活化铝灰。发现NaOH和Na₂CO₃的混合能产生协同效应，混合助剂降低了焙烧系统的共晶点。在室温下，活化反应主要由NaOH促进。相反，在高温条件下，Na₂CO₃发挥关键的活化作用。两种助剂同时使用促进了SAD与助剂的充分接触，使Al₂O₃的浸出率持续提高。研究人员同样采用碱焙烧法考察了烧结温度、碱铝比、烧结时间等因素对SAD中氧化铝浸出率的影响。结果表明，当碱铝比为1.1、烧结时间为40分钟、温度为1423 K时，氧化铝浸出率达到94.23%。
   4.4.2. 碱浸法
   碱浸法主要利用氧化铝的两性特性，使用碱性溶液(如氢氧化钠)溶解铝灰中的氧化铝。浸出率受碱液浓度、浸出温度和液固比等因素影响。研究人员考察了碱浓度和温度对SAD中氧化铝浸出率的影响，发现在250 g/L的碱性溶液中，浸出温度为250°C、浸出时间为100分钟时，氧化铝浸出率达到98.6%。研究人员研究了温度对氧化铝浸出率的影响，发现在250°C时氧化铝浸出率达到98.6%。碱浸法的优点是提取的铝产品杂质较少，且铝灰中的其他金属氧化物不与碱液反应，因此碱液可循环使用。但缺点是浸出温度相对较高(通常在200°C以上)，导致能耗较高。
   4.4.3. 酸浸法
   酸浸法中常用的酸为盐酸和硫酸，它们与铝灰反应释放Al³⁺，随后从中生成氧化铝。研究人员进行了SAD浸出实验，使用1–5 mol/L盐酸，液固比为20，在75°C下浸出120分钟；氧化铝浸出率达到最大值78.56%。研究人员也使用不同浓度的盐酸进行了SAD浸出实验，氧化铝浸出率呈现先增后减的趋势。其他研究人员使用硫酸时也发现了相同的趋势。氧化铝浸出率呈现先增后减的趋势可归因于三个因素：(1)当酸浓度超过一定阈值时，会对H⁺的电离过程产生抑制作用，从而降低浸出效率；(2)过高的酸浓度促进了金属阳离子与Al³⁺竞争Cl^?配位；(3)过高的酸浓度加速了Al³⁺的溶解会抑制H⁺的扩散。研究人员采用酸浸-碳酸铵铝结晶工艺，实现了从铝灰中高效回收氧化铝，氧化铝浸出率达到91.5%。酸浸具有工艺简单和残渣量少等优点，但酸浸过程中存在Fe和Si等非铝杂质的共溶现象，导致氧化铝产品纯度较低。
   4.4.4. 碱-酸联合法
   碱-酸联合法结合了酸浸和碱浸的优点，首先通过酸浸溶解铝灰中的氧化铝，然后通过碱浸进一步纯化。研究人员采用该方法实现了83%的