在拜耳工艺中用玉米芯替代石灰：一种减少赤泥和回收铁资源的可持续方法

《Process Safety and Environmental Protection》：Replacing Lime with Corncob in Bayer Process: A Sustainable Approach for Red Mud Reduction and Iron Resource Recovery

　　

摘要

传统的拜耳法在处理海外铝土矿时，通常通过添加石灰来提高氧化铝的提取率，但该方法会产生大量含有复杂铁矿物的红泥（RM），这些铁矿物难以回收。在本研究中，我们提出了一种以玉米芯为唯一添加剂的源头还原策略，完全替代了拜耳法中的石灰，从而提高了氧化铝的浸出率，减少了红泥的排放，并实现了铁的回收。在优化条件下（230 g/L Na₂O_k，5%玉米芯，270 ℃，90分钟），氧化铝的提取率达到了99.3%，比使用石灰的工艺提高了4.6%；同时，红泥的产量减少了13.3%。随后对玉米芯来源的红泥进行磁选后，获得了品位为58.7%、回收率为63.7%的铁精矿，使得总红泥排放量相比使用石灰的工艺减少了47.2%。通过GC-MS分析、热力学计算和针对性验证实验，我们确定了玉米芯分解产生的液相产物（如乙二醇、苯酚和乙醛）是导致赤铁矿还原为磁铁矿的关键还原剂，其中乙二醇起着主导作用。综上所述，这种基于玉米芯的源头还原方法消除了对石灰的需求。本研究提供了一种利用农业废物的源头还原方法，为减少氧化铝生产中的红泥排放和回收铁资源提供了新的见解，有助于氧化铝行业的绿色可持续发展。

引言

红泥（RM）是在铝土矿氧化铝生产过程中产生的强碱性固体废物，由于其高含量的赤铁矿而呈现红色。目前，全球红泥的累计堆存量已超过60亿吨，每年增加约2亿吨（He等人，2025b；Suman和Tripathy，2024）。绝大多数的红泥仅被堆放，综合利用率仅为约10%（Wang等人，2022）。这种做法不仅占用大量土地，还带来严重的环境风险，因为红泥的pH值通常在13到14之间，会导致土壤盐碱化（Gr?fe等人，2011；Kar等人，2023；Khaitan等人，2009；Liu等人，2013）。因此，迫切需要开发技术和方法来减少红泥的排放并实现其资源化利用。

铁矿石是一种重要的金属矿石，也是钢铁工业的关键原材料。由于红泥中赤铁矿的含量超过30%，从中回收铁资源对于氧化铝行业的可持续绿色发展具有重要意义（Dai等人，2024；Mohamed等人，2021；Zhou等人，2023）。然而，红泥的磁性质较弱，传统的磁选方法仅能回收约15%的铁，从而只能减少约10%的红泥排放（Liu等人，2025；Liu等人，2023）。通过向红泥中添加还原剂（如CO、煤炭或淀粉）并在高温下进行磁焙烧（Qi等人，2025；Wang等人，2024；Xie等人，2023），铁的回收率可提高到88%以上，但这种方法能耗高且工艺成本高（Ren等人，2021；Zhu等人，2025）。近年来提出了一种新的方法，即在铝土矿浸出过程中添加还原剂（如铁粉、甘油或肼水合物）（Li等人，2015；Li等人，2018；Li等人，2020；Wang等人，2023；Wang等人，2020；Zhou等人，2022），这可以改善红泥中铁矿物的磁性质，使铁的回收率超过65%，并通过后续的磁选减少超过50%的红泥排放。然而，这些还原剂的成本较高，因此需要寻找低成本替代品以减少红泥排放并提高铁的回收率，同时不牺牲铝的提取率。

生物质是一种低成本的可再生资源，其成分（如淀粉、纤维素和半纤维素）具有还原金属氧化物的能力（Kovacevic等人，2024；Ma等人，2018）。最近的研究探讨了在拜耳法消化过程中使用各种生物质衍生物作为还原剂。He等人使用淀粉、小麦麸皮和甘蔗渣，在碱性水热条件下成功将铁矿物还原为磁铁矿，铁氧化物的还原率超过90%。然而，这些研究仍需添加8%的石灰来确保足够的氧化铝提取。此外，虽然研究证实主要的气态产物H₂在还原过程中作用不大，并确定醛类、酮类和酚类化合物是潜在的还原剂，但具体负责赤铁矿还原的液相物质尚未明确，反应机制也需进一步阐明。

玉米芯是一种广泛可用且价格低廉的天然生物质，通常作为农业废弃物被丢弃。在本研究中，我们提出了一种新方法，使用玉米芯作为拜耳法消化过程中的唯一添加剂，完全替代石灰，同时提高了氧化铝的提取率，减少了红泥的排放，并实现了铁的回收。研究了添加剂用量、消化温度、消化时间和溶液碱浓度对一水合铝土矿消化效率以及铁矿物定向转化的影响。采用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和激光粒度分析仪分析了铝土矿的矿物相变和粒度变化。通过气相色谱（GC）和气相色谱-质谱（GC-MS）分析了玉米芯在拜耳法消化过程中的气相和液相分解产物，以识别关键还原物质并阐明还原机制。本研究通过整合农业废弃物的利用、工艺优化和资源回收，为可持续的氧化铝生产提供了新的途径。

章节片段

材料

氢氧化钠（NaOH）、氢氧化铝（Al(OH)₃、氧化钙（CaO）和乙二醇的纯度均超过99%，由中国广州化学试剂厂购买。通过按适当比例混合NaOH、Al₂O₃和去离子水，并进行磁力搅拌和加热至完全溶解，制备了氢氧化铝溶液。所得溶液的Na₂O与Al₂O₃的摩尔比为3.0。

玉米芯添加量的影响

实验中使用了0%、2.5%、5%和7.5%的玉米芯粉末或CaO作为添加剂进行拜耳法消化。两种添加剂均促进了铝的提取并减少了红泥的产量，在相同条件下，玉米芯相比石灰具有更高的氧化铝提取效率和更低的红泥产量（图2a）。由于玉米芯主要由有机物组成（表S2），其碱热降解过程中几乎没有固体残留，因此产生的红泥量低于使用CaO的消化过程。

FTIR

图6a显示了玉米芯（CC）、铝土矿（Bauxite）、红泥（CaO）和红泥（CC）的FTIR光谱。玉米芯的FTIR光谱与纤维素和木质素的标准光谱高度相似，表明其主要成分是纤维素、半纤维素和木质素，这与表S2的结果一致。从吸收峰来看，铝土矿的红外光谱中主要检测到Al-O和Si-O-Si键的吸收峰。拜耳消化后，红泥（CaO）的吸收峰发生了变化

机制探索

为了进一步探究和分析玉米芯在拜耳法消化过程中还原赤铁矿的机制，在优化条件下使用高温反应器（HT-500-F-J-I，北京霍通公司）进行了消化实验。收集了含或不含铝土矿的玉米芯消化后的气态和液态产物，以识别还原成分并确定玉米芯还原赤铁矿的机制。

结论

本研究中，使用玉米芯替代石灰进行海外铝土矿的拜耳法消化，提高了铝的提取效率，同时减少了红泥的产量，并实现了从红泥中有效回收铁资源。

• (1)
  在优化条件下（270 ℃，230 g/L Na₂O_k，126 g/L Al₂O₃，5%（重量）玉米芯/铝土矿，90分钟），铝的提取效率达到99.3%，比使用石灰的工艺提高了4.6%；同时，红泥的产量

未引用参考文献

(He等人，2025；He等人，2025)

CRediT作者贡献声明

李小琴：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、方法论制定、资金筹集。赵珊珊：撰写——初稿撰写、实验研究、数据分析。江浩：监督、资金筹集。刘智慧：资源协调、资金筹集。黄星忠：数据验证。史凯：数据验证、实验研究。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（编号2022YFC3900902）的财政支持。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

作者：赵珊珊 | 李晓琴 | 史凯 | 黄星忠 | 刘智慧 | 江浩