赤泥中钠固定的相驱动机制及其资源化路径：以中国广西百色为例

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Phase-driven mechanism of sodium immobilization in red mud and its resource recovery pathway: A case study of Baise, Guangxi, China

　　

摘要 本文提出了一种解释赤泥中钠行为的方法论框架，该框架本身构成了主要贡献。其效用通过中国广西百色的案例研究得以说明。铝工业固体废物，特别是赤泥的高效利用是一个关键挑战。钠作为主要的可溶性碱性成分，通过其迁移和形态转化影响环境风险和资源化利用。基于热力学和动力学的传统还原论方法无法准确描述多相共存、非平衡演化和结构约束下的钠行为。这限制了对资源化利用的精确调控。我们提出了一种相驱动的钠固化分析框架。将“相”重新定义为受热力学驱动力、动力学约束和微观结构场共同控制的动态结构实体。构建了一个从“工艺条件 → 相演化 → 元素形态 → 资源化利用结果”的系统映射。以中国广西百色为案例研究——一个年赤泥产量超过 1700 万吨且拥有多元化回收系统（铁、镓、建筑材料）的主要铝业基地——分析表明，在快速冷却下，钠可以在动力学上被“锁定”在玻璃相中，而不是如平衡图预测的那样进入稳定的结晶相。钠的迁移和释放受玻璃粘度、孔隙连通性以及晶界/微裂纹网络控制。基于这些机制，我们提供了对百色现有回收工艺的统一解释，并确定了稳定钠固化的关键相演化窗口。这为高效利用赤泥提供了一条可调路径。所提出的框架可扩展到其他复杂的铝工业固体废物。

引言 中国占全球氧化铝和电解铝总产量的 50% 以上 [1]。铝工业产生大量的固体废物，其中赤泥（来自氧化铝提取过程）造成了最大的环境压力。中国每年产生约 1 亿吨赤泥，截至 2025 年底，累计堆存量已超过 16 亿吨，约占全球总量的三分之一 [1]。在“十四五”规划期间，赤泥的综合利用率从 5.5% 提高到了 14%，年利用量为 1800 万吨；尽管如此，每年仍有约 1 亿吨新产生的赤泥需要堆存，形势依然严峻 [2], [3]。

广西百色是中国重要的铝工业基地。该地区赤泥年产量约为 1700 万吨，累计堆存量为 19800 万吨。该区域有 10 个赤泥处置场，总设计容量为 1.81×10? 立方米。一些处置场已经接近或超过其设计容量，这使得成为制约行业可持续发展的紧迫问题 [63,64]。赤泥的高盐度和高碱度（pH 10–12）造成了三方面的压力：土地占用、地下水污染和资源浪费。赤泥的大规模处置和利用已被国际铝业协会 (IAI) 列为 2050 年的重大挑战 [3]。

图 1 从三个维度展示了百色赤泥问题的全貌：堆存规模与紧迫性 (a)、工程利用探索 (b) 以及堆存增加趋势与容量危机 (c)。

在百色，已经建立了若干赤泥资源化利用的技术路线。对于铁回收，已建成年处理能力 221.3 万吨的赤泥处理能力；中国铝业广西分公司从该处理能力中每年回收 75 万吨铁精矿，对赤泥利用率的贡献约为 23% [4], [44], [45]。对于镓回收，三家企业总容量为 180 吨/年，2023 年产量为 161 吨，占全球总量的 20% 以上 [5], [46], [47]。在建筑材料方面，修建了一条 1.5 公里的赤泥基实验道路，替代比为 40% [48]。对于土壤改良，完成了一项 900 平方米的坡面绿化实验 [43]。关于全元素提取，已完成了一项可回收六种产品的中试验证 [49], [50]。

然而，大多数这些研究仍停留在“工艺参数优化”的水平，缺乏对相演化机制的系统理论理解。具体的不足如下。首先，它们主要基于“试错法”，提供的机理解释不足 [4]。其次，不同的技术路线彼此孤立，缺乏统一的解释框架 [5]。第三，从实验室规模扩大到中试或工业规模时，通常会遇到“放大失败”的困境，这源于缺乏对跨尺度耦合行为的理论掌握。因此，迫切需要系统的理论框架来指导技术研发。尽管这些不同的实践在表面上存在差异，但它们共同面临一个科学挑战：理解和控制加工过程中的相演化。这种共性表明，基于相行为的统一框架可以为不同路线提供系统指导——拟提出的相科学框架旨在验证这一假设。

固体废物研究中的当前方法大多根植于还原论思维，倾向于将复杂系统分解为简化模型——例如，对纯物质相变或单一杂质扩散进行孤立的热力学或动力学分析。还原论模型的典型假设包括：系统是均匀连续体；相界面是几何平面；演化过程接近平衡或由单一速率控制 [10], [11], [12]。

然而，铝工业固体废物表现出多相共存、多组分交织、多尺度耦合以及强非平衡特征——这正是还原论假设无法适应的复杂性 [6], [19], [21]。以赤泥中钠的固化为直接例子：基于平衡假设的热力学模型预测钠应完全进入稳定的结晶相。然而，在工业赤泥加工中常见的快速冷却条件下，这些平衡预测失败，因为系统没有足够的时间达到预测的状态。基于均匀性假设的动力学模型忽略了优先生传输路径——晶界、相界和微裂纹——这些路径可以使钠迁移比体扩散快 2–3 个数量级。简化的多组分处理无法描述共存元素（Fe, Al, Si, Ca, Na 等）之间的涌现耦合效应，其中一种物种的行为受到其他物种存在的强烈影响 [15], [16]。

正如 Anderson 所指出的：“将一切还原为简单基本定律的能力并不意味着能够从这些定律出发重构宇宙的能力。……建构论假设在面对规模和复杂性的双重困难时崩溃了。” [6] 这一洞察为固体废物研究提供了重要教训：固废的复杂性不是实验室模型的简单放大，而是需要一个全新的理论框架来妥善处理。

相科学视角提供了一种应对这一挑战的新研究范式。其核心思想是不再将“相”视为孤立的、静态的化学公式集合，而是将其定义为受热力学、动力学和微观结构约束形成的“动态结构实体”。

这一视角带来了系统性的方法论创新。研究焦点从“反应中心”转移到“结构中心”——所问的问题不再是“发生了哪些反应？”，而是“形成了哪些相结构，它们如何在能量景观上竞争和演化？”相科学自然地将非平衡状态视为常态，将亚稳相视为热力学驱动力与动力学约束之间竞争的结果，并且内在具备整合热力学、动力学、界面效应和传输现象的能力。

以赤泥中钠的迁移和固化为例子。传统热力学只能预测平衡条件下的稳定矿物相，但无法解释相同组成下不同冷却速率导致的钠形态截然不同的现象。研究表明，冷却速率对钠形态有决定性影响——快速冷却增加非晶相含量并使钠更容易浸出 [7]。相比之下，相科学构建了耦合描述：热力学上，钠倾向于迁移到稳定矿物中；动力学上，迁移速率受玻璃相粘度和孔隙通道控制；在结构场中，晶界和微裂纹作为优先迁移路径重塑传输路线。通过控制冷却路径，钠可以被锁定在目标晶格中，或者保留在玻璃相中。

本文提出了一种相科学分析框架，核心贡献体现在三个方面：

理论贡献：整合三大要素——热力学驱动力、动力学约束和微观结构场效应——建立从“组成–工艺”到“目标相–性能”的系统认知路径，并将“相”重新定义为动态结构实体。该框架为解释和指导复杂固废系统中的相演化提供了系统基础。

方法论贡献：超越还原论范式，实现从“事后分析”到系统解释框架的转变。通过识别关键序参量和敏感控制节点，为靶向调控提供理论指导。

实证贡献：以广西百色赤泥中钠的迁移和固化为典型案例，说明了相科学框架对传统模型无法解释现象的重新解释能力。它基于百色的现有实践（铁回收、镓回收、建筑材料利用等）提供了框架的案例解释，并提出了“钠锁定”的推荐工艺窗口。

本研究旨在证明，相科学视角不是传统理论的简单替代，而是一种概念上的进步。它将研究焦点从孤立反应转移到系统结构演化。它还将建模目标从现象重现提升到路径预测和调控设计。因此，它为将铝工业固废管理从被动的“事后分析”转向系统指导的解释性框架提供了科学依据。

应当明确的是，本工作提出了一种原创的方法论框架——相科学框架——旨在解决常规还原论模型在描述复杂固废系统方面的根本局限性。该框架本身构成了本研究的主要贡献，而不是针对特定材料的一组新实验测量。百色赤泥案例作为典型说明被采用，以展示框架的解释力和阐释能力，通过现实工业实践来说明概念方法。这种方法论导向是刻意的：本文被定位为概念和方法论贡献，而不是传统的实验案例报告。我们相信这种类型的贡献——为复杂固废系统提供新的解释视角和系统指导——属于 JECE 的范围，并为该领域的研究人员和从业者提供价值。

章节片段

传统机理模型的方法论反思 传统热力学和动力学模型在揭示单相演化规律方面具有根本价值。然而，当这些模型应用于铝工业固体废物等复杂系统时，其简化假设与现实世界之间存在根本矛盾。本节旨在分析传统模型的适用边界，从而为提出相科学框架奠定基础。

解构铝工业固废的复杂性 本节综合文献中已知的铝工业固废特征，将其整理成一个系统性的复杂性维度框架，直接指导第 4 节开发的相科学方法。铝工业固废系统的内在复杂性构成了任何理论模型必须应对的核心挑战。这种复杂性是一个多层次和多维度交织的“复杂系统”。本节系统地

基于相科学视角的综合框架构建 前两节的分析表明，要对铝工业固废中的相演化实现系统理解和精确调控，需要超越还原论范式，构建一个能够容纳复杂性的新理论框架。

本节系统地阐述了这一框架——一个基于相科学视角的综合分析框架。本节开发的框架构成了原始方法论

案例研究：广西南丹红泥中钠的迁移与固化
本节以广西南丹红泥中钠的迁移与固化为典型案例，说明相科学框架如何重新解释传统模型无法解释的相演化现象。随后，结合百色现有的资源利用实践提供了基于案例的解释，并最终提出了工艺调控建议作为初步指导。

讨论：相科学框架的方法论意义与普适性
前一节基于案例的解释表明，相科学框架能够超越传统模型，为复杂的固体废物系统提供解释力。本节阐明了该框架如何超越传统研究范式，展示了其在其他铝工业固体废物中的适用性，并考察了其局限性和未来方向。

结论
(1) 传统的热力学和动力学模型基于还原论假设。它们的平衡假设、均质化处理以及多组分效应的线性叠加无法容纳铝工业固体废物的复杂特征——多相共存、多组分耦合、非平衡演化和历史依赖性——因此在工业固体废物系统中面临根本的适用性边界。
(2) 相科学

CRediT 作者贡献声明
Chenghuang Tang：可视化、形式分析、数据整理。Yongzhong Zhan：写作 - 原稿、方法论、概念化。Xiaojing Huang：调查、形式分析、数据整理。Peilin Qing：资源、形式分析。Xue Bai：项目管理、形式分析。Liangwei Li：调查、数据整理。

资助
本研究工作得到了广西重点研发计划“赋能”行动计划（项目编号：GUIKE FN2600640523）、百色市科技计划“科技平台搭建”（项目编号：Baike LT252806）以及广西壮族自治区自然科学基金（项目编号：2025GXNSFDA069021）的支持。

利益冲突声明
作者声明没有已知可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢
作者感谢广西重点研发计划“赋能”行动计划（项目编号：GUIKE FN2600640523）、百色市科技计划“科技平台搭建”（项目编号：Baike LT252806）以及广西壮族自治区自然科学基金（项目编号：2025GXNSFDA069021）的支持。

Yongzhong Zhan|Chenghuang Tang|Xue Bai|Liangwei Li|Xiaojing Huang|Peilin Qing
广西壮族自治区生态铝工业绿色制造重点实验室 & 广西壮族自治区先进铝基材料工程研究中心，百色大学材料科学与工程学院，百色，中国，533000