综述：从有害废物到战略资源：二次氧化锌脱毒与资源化利用评述

《Process Safety and Environmental Protection》：From hazardous waste to strategic resources: a critical review on detoxification and resource valorization of secondary zinc oxide

　　

摘要二次氧化锌（SZO）是一种成分异质的富锌冶金残留物，含有锌、主要伴生金属如铅和铁、有害元素如镉和砷，以及在某些原料中包含的战略性微量金属如铟和锗。然而，复杂的矿物学特征以及有毒杂质（砷、氟、氯）的存在造成了技术瓶颈，严重阻碍了电积效率和环境合规。本综述评估了 SZO 当前解毒和资源回收技术。综述首先考察杂质的赋存状态，然后比较火法和湿法冶金在脱卤和除砷方面的方法。随后，对常规锌回收路线与新出现的工艺强化策略进行了批判性评估。特别关注铟和锗作为代表性技术关键微量金属，其分散赋存给选择性回收带来了独特挑战。最后，综述提出了一个低碳和低废弃的 SZO 处理框架，整合了有害元素控制、资源回收和内部循环，同时考虑了生命周期排放和残留流。

引言锌是现代工业中利用最广泛的有色金属之一，在镀锌、合金和化工生产中发挥着关键作用（Pozdniakova 等，2016，Bu 等，2026，Kang 等，2025，Mejia-Centeno 等，2025）。矿石品位的下降和日益增长的需求增加了对从二次资源和工业残留物中回收锌的关注（Kumar 等，2026，Sun 等，2026）。二次锌资源不仅对于缓解资源稀缺具有战略重要性，而且对于环境 stewardship（环境管理）也是如此；值得注意的是，与初级采矿相比，从二次来源生产锌可以将温室气体排放量减少高达 86%（Lu 等，2026）。在这些二次资源中，二次氧化锌（SZO）代表了一种至关重要但成分异质的原料。表 1 中汇编的代表性 SZO 样品含有 48.25–63.70 wt.% 的锌和 3.73–27.43 wt.% 的铅（Jia 等，2023，Kaya 等，2020）。

SZO 的产生本质上是多源的，源于各种冶金过程，可以系统地归类为三个不同的工业系统（Rabah 和 El-Sayed，1995）。第一类包括钢铁生产过程中产生的粉尘和污泥，其锌含量随炉型、原料输入、回收实践和气体净化阶段的变化而显著不同。粗高炉粉尘通常富含铁和碳，含锌量相对较低，通常低于几个重量百分比，而较细的二次污泥或过滤粉尘部分可能更强烈地富集挥发性锌（Xue 等，2022，Lanzerstorfer 和 Kr?ppl，2014）。碱性氧气转炉粉尘通常含有低至中等的锌水平，而电弧炉粉尘由于镀锌废料引入的锌的挥发，通常含有几个到几十重量百分比的锌。因此，散装高炉粉尘不应归类为典型的高锌 SZO 原料；只有富锌细粒部分或精矿才可能成为相关的二次含锌原料（Hay 和 Rankin，1994）。第二类是有色金属冶金系统，特别是火法锌精炼残渣（例如，含锌 40%–60% 的反射炉产品）和二次铅冶炼粉尘（20%–40% 锌）。第三类包括其他工业衍生物，如混合废物焚烧残留物和 EAF 粉尘（15%–35% 锌）。

SZO 结合了巨大的资源价值与显著的环境和处理风险。由于其成分随来源而异，处理选择应基于原料来源、化学和矿物学表征以及工艺兼容性。一方面，SZO 是战略性关键金属的宝库。例如，炼钢粉尘通常富含铟（20–200 g/t）和锗（10–50 g/t），为多金属协同回收提供了巨大的经济潜力（Zhou 等，2026，Xiao 等，2026）。另一方面，SZO 本质上是一条有害废物流，带有有害杂质。来自二次铅或锌冶炼的材料通常受到高浓度卤素（氟 0.5%–3%，氯 1%–5%）和有毒重金属如镉（0.1%–1%）和砷（0.05%–0.5%）的污染（Wu 等，2026a，Dong 等，2024a，Wang 等，2025）。这种多源异质性通常导致交叉混合特征（例如，Pb-Zn-Fe-Ca-Cl 伴生）。

取决于其冶金来源，SZO 可能含有 Pb、Cd、Cu、Fe、Sn、Ni、In、Ge 及其他微量元素，浓度和赋存状态差异很大。这些元素在处理过程中发挥不同的作用：铁通常构成主导基质相；铅、镉和铜可能代表可回收但潜在有害的伴生金属；而铟和锗通常是低丰度、高价值的战略元素。因此，本综述讨论了与解毒、相变、残留物管理和大量回收相关的 Pb、Cd 和 Fe，同时选择 In 和 Ge 作为技术关键微量金属选择性回收的代表性案例。

目前，SZO 的工业处理主要由两种主要技术路线主导：火法冶金和湿法冶金。火法冶金工艺依赖高温还原和挥发原理。沃耶窑是最成熟的技术，锌回收率超过 90%（de Araújo Neto 等，2021，Antu?ano 等，2019）。其他先进方法包括回转炉（RHF），其金属化率达到≥85%，以及循环流化床（CFB）工艺，能够将锌浓度富集 3–5 倍（Tian 等，2026，Lee 等，2025，Fang 等，2025）。虽然对于大量分离有效，但这些高温工艺能耗高且碳排放重。

相反，湿法冶金工艺提供优越的选择性和更低的能耗。这些方法通常涉及常压或加压浸出系统（Liu 等，2026，Bao 等，2025）。为了克服某些锌相的难处理特性（例如，锌铁尖晶石），出现了物理场强化技术，如机械活化（能耗输入>50 kWh/t）和超声空化，增强了浸出动力学。此外，在受控氧分压（0.8–1.2 MPa）和高温（150–180°C）下操作的加压浸出技术已证明在分解稳定相方面具有高效率。值得注意的是，湿法冶金路线在有毒卤素的深度去除方面显示出显著优势，氟和氯的去除率超过 95%。

尽管有这些进展，严格的环境法规和日益稀缺的资源决定了单一工艺方法往往不足以满足现代对“清洁生产”和“高值化利用”的需求。有毒元素的有效分离（解毒）是后续回收锌和战略性金属的前提。因此，本综述旨在提供对 SZO 利用的综合批判性分析。它超越了简单的工艺总结，深入探讨杂质去除机制（As、F、Cl）和有价值金属（Zn、In、Ge、Pb）的协同回收。通过比较传统与新兴技术的功效、经济可行性和环境足迹，本文寻求为低碳循环经济背景下锌冶炼粉尘的可持续资源利用提供理论路线图。为了减少地理和技术偏见，综述整合了亚洲、欧洲和其他国际冶金操作的成分和工艺数据，并根据原料特性、工艺成熟度、能源和试剂需求、操作限制、残留流产生以及报道的验证规模评估了每条路线。

章节片段工艺矿物学与结构 - 活性关系需要进行工艺矿物学表征，以将相组合和微观结构与冶金响应联系起来，并选择合适的处理路线。与原生矿床不同，SZO 的特征是成分和相组合的巨大异质性。因此，提取效率较少由整体元素品位决定，而更多由相赋存和微观结构约束决定。

有害元素的解毒与深度净化 SZO 的高效解毒是下游锌回收的前提。有害杂质——特别是砷（As）、卤素（F、Cl）和镉（Cd）——的存在不仅污染最终锌产品，而且通过引起阳极腐蚀和阴极结瘤严重损害电积效率。因此，建立稳健的分离策略对于环境合规和工艺可行性至关重要。

锌增值策略：打破“铁酸盐壁垒”SZO 的增值关键在于从其宿主矿物相中高效提取锌。虽然 ZnO 易于溶解或还原，但相当一部分锌以锌铁尖晶石（ZnFe2O4）形式存在，这是在初级冶炼过程中形成的热力学稳定的尖晶石相。因此，火法和湿法冶金路线的核心目标是克服这一“铁酸盐壁垒”。

关键和伴生金属的选择性增值 SZO 不仅仅是锌资源；它代表了“技术关键元素”的显著二次储量。欧盟和美国已将铟（In）和锗（Ge）列为关键原材料，因为其供应风险和在光电子学中的不可或缺性（Timi? 等，2025，Jones 等，2026）。因此，从复杂的锌 - 铁基质中选择性分离这些微量金属是当前冶金研究的焦点。

新兴方法：工业共生、脱碳和功能升级循环 本节回顾了工业共生、氢还原以及将选定残留物转化为功能材料。“以废治废”的概念使用一种残留物作为还原剂、助熔剂、能源或处理另一种残留物的进料组分。在 CFGR 中，回收气体可以回收部分废气的显热和还原势，并影响炉温和气 - 金属相互作用。

结论与展望本综述比较了既定的和新出现的 SZO 处理路线，涉及原料矿物学、杂质控制、金属回收、能源需求和残留流管理。没有一种处理路线是普遍适用的，因为原料成分、产品要求、能源供应和处置限制因地点而异。

未来研究应评估结合安全杂质控制与锌及选定伴生金属回收的路线。预处理与工艺强化

CRediT 作者贡献声明陈延飞：写作 – 回顾与编辑，写作 – 初稿，可视化，验证，软件，项目管理，方法论，资金获取，形式分析。李彬彬：写作 – 回顾与编辑，写作 – 初稿，可视化，验证，监督，软件，资源，项目管理，调查，形式分析，数据整理，概念化。韩正伟：写作 – 回顾与编辑，写作 – 初稿，可视化，验证，

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