基于砷碱浸出渣的轻质陶粒：形成行为、As/Sb 迁移及残余稳定化

《Process Safety and Environmental Protection》：Lightweight ceramsite from arsenic-alkali leaching residue: Formation behavior, As/Sb migration and residual stabilization

　　

摘要

砷碱浸出渣（AALR）是在锑精炼产生的砷碱渣处理后产生的，其特点是含有大量的 As/Sb 且碱度较高。直接填埋 AALR 不仅浪费宝贵的砷和锑资源，还可能留下长期的环境风险。本研究提出了一种陶瓷化路线，利用 AALR 制备轻质陶粒，同时通过挥发富集回收 As/Sb，并将残余有害元素稳定在烧结产品中。研究了烧结温度和 SiO₂ 含量对陶粒性能、As/Sb 迁移、相演变和浸出行为的影响。在 1000 ℃ 下用 65.0 wt% SiO₂ 制备的陶粒显示出平衡的性能，表观密度约为 1007 kg/m³，抗压强度为 5.2 MPa。烧结过程中，As 和 Sb 转化为挥发性物质并富集在收集的烟气粉尘中，其中 Sb 和 As 分别达到 41.13 wt% 和 19.64 wt%。相和微观结构分析表明，在剧烈液相烧结之前发生了 As/Sb 的还原挥发。随后，碱金属和碱土金属成分促进了非晶铝硅酸盐基质的形成，该基质巩固了孔壁并稳定了残余的 As/Sb，导致较低的浸出释放。

引言

轻质陶粒是一种重要的人工骨料，因其堆积密度低、多孔结构和可接受的机械性能而用于轻质混凝土、隔热材料及其他建筑应用（Li 等，2025，Liu 等，2025）。随着对低碳建筑材料需求的增加以及天然粘土和页岩资源的枯竭，工业固体废物转化为陶粒引起了越来越多的关注。各种废物，包括市政污泥、污染土壤、焚烧飞灰、赤泥、尾矿和冶金渣，已通过成分调节和高温烧结用于陶粒制备（Shao 等，2023，Shen 等，2022，Tang 等，2023，Xia 等，2025）。对于危险固体废物，陶粒生产也为有毒元素的迁移、富集和稳定提供了一条高温路线。

因此，控制有毒元素的迁移和固定对于危险固体废物安全转化为建筑材料至关重要。先前的研究表明，有毒元素可以通过在烧结基质中形成稳定的结晶相、非晶玻璃基质和物理封装来固定（Shao 等，2022，Zhan 等，2023）。迄今为止，大多数研究集中在含有常规重金属（如 Pb、Zn、Cu、Cr、Cd、Ni）的工业废物上，而在陶粒制备研究中，含砷残渣受到的关注相对较少。尽管有几项陶粒研究监测了烧结和浸出过程中的砷行为，但 As 通常被视为多金属系统中的一个组分，而不是控制工艺设计的主要因素（Han 等，2025，Li 等，2023，Li 等，2018，Luo 等，2023，Xu 等，2008）。砷是有色冶炼中的常见杂质，每年有大量 As 转移到炉渣和粉尘等固体废物中。鉴于大多数含砷残渣的高毒性和复杂的化学成分，利用此类废物作为陶粒制备的原料仍然代表了一个具有挑战性问题但对于安全处置和资源化利用很重要（Wan 等，2025，Wan 等，2023，Zhang 等，2021）。

在含砷残渣中，砷碱渣（AAR）是粗锑精炼除砷阶段产生的典型危险废物流（Guo 等，2014，Tang 等，2025）。AAR 通常富集可溶性砷酸盐和亚砷酸盐物种、碱性盐和含锑相，导致复杂的化学性质和相当大的环境风险（Long 等，2020，Yu 等，2023）。人们已投入大量精力对 AAR 进行处理和利用，并开发了各种工艺从该残渣中回收砷、锑和碱（Tian 等，2021，Yi 等，2023）。尽管这些方法可以回收部分有价值成分并减轻 AAR 的毒性，但不完全的分离导致大量砷和锑保留在处理后的残渣中，形成砷碱浸出渣（AALR）。这引发了次生环境风险，通常导致进一步稳定化后进行填埋。因此，仍需要一条可以进一步利用 AALR 同时控制残余 As 和 Sb 迁移和浸出风险的处理路线。

烧结陶粒生产提供了一条进一步利用 AALR 将其转化为轻质骨料的可能路线。在高温烧结过程中，液相生成、结晶和玻璃化共同控制多孔陶粒的形成和有害元素的固定（Li 等，2023，Shao 等，2022）。AALR 还具有相对较高的碱度。先前的研究表明，碱金属和碱土金属成分可以促进玻璃相生成，降低液相粘度，并改变陶粒烧结过程中的孔洞发育（Pei 等，2023，Wang 等，2024）。这些发现表明，AALR 相对较高的碱度可能促进陶瓷化过程中的液相和非晶相形成，从而影响残余 As 和 Sb 的固定以及陶粒的孔结构和最终性能。此外，As 和 Sb 倾向于在还原性高温条件下挥发。通过调节原料成分和烧结气氛，可以促进大量的液相形成之前的 As/Sb 还原挥发，从而实现含 As 和 Sb 物种从固体基质中的受控转移和去除。挥发物质随后可以通过下游烟气粉尘收集进行捕获和富集。随后陶瓷化过程中生成的液相促进玻璃化并将残余的 As 和 Sb 固定在烧结基质中。

在本研究中，通过添加石英砂和氧化铝作为硅和铝供应成分，利用 AALR 制备轻质陶粒。烧结在受控气氛下进行，并收集产生的烟气粉尘。研究了烧结温度和 SiO₂ 含量对陶粒物理性能的影响，包括表观密度、吸水率和抗压强度。通过 X 射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析相演变和结构特征，同时使用 TG-DSC 和 SEM-EDS 表征代表性产品的热行为和微观结构特征。此外，评估了收集的烟气粉尘中 As 和 Sb 的富集、它们在烟气粉尘和陶粒之间的分布以及残余固体的浸出风险，以阐明 As/Sb 还原挥发与液相陶瓷化之间的关联机制。

章节片段

材料

砷碱浸出渣（AALR）取自中国湖南省一家锑冶炼厂现场生产过程中产生的二级 AAR（2025 年 9 月）。残渣是在碱浸过程后收集的。由于浸出过程中进行了预先球磨处理，残渣粒度细化良好，86.5 wt% 通过 200 目筛。因此，原渣仅被破碎以分散团聚体，无需额外研磨。AALR

物理性能与形貌

为了阐明烧结温度和 SiO₂ 含量的影响，温度依赖性测试使用 S62.5 配方，而 SiO₂ 含量系列在固定的烧结温度 1000 ℃ 下制备。

烧结温度对陶粒物理性能的影响如图 3(a, c) 所示。随着温度从 925 升至 1000 ℃，表观密度显著下降，而抗压强度先下降然后略有恢复。在 925

结论

通过调节烧结温度和 SiO₂ 含量，利用砷碱浸出渣制备了轻质陶粒。对于在 1000 ℃ 烧结的 S65.0，表观密度、抗压强度和 24 h 吸水率分别约为 1007 kg/m³、5.2 MPa 和 6.56%。在此条件下，As 和 Sb 主要通过还原挥发转移，挥发率分别为 98.32% 和 78.86%。相应的过程流质量平衡闭合

CRediT 作者贡献声明

韩海升：撰写 – 初稿，验证，方法论，调查，形式分析。 桑孟超：撰写 – 初稿，验证，方法论，调查，形式分析。 陈伯明：撰写 – 审阅与编辑，监督，资源，数据管理。 孙伟：撰写 – 审阅与编辑，监督，项目管理，概念化。 王玉凤：撰写 – 初稿，验证，方法论，调查，形式分析。 彭军：撰写 – 审阅 &

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系，可能会影响本论文报告的工作。

致谢

这项工作得到了湖南省科技创新计划（编号 2023ZJ1110）和“十四五”国家重点研发计划（编号 2024YFC2909701）的支持。

桑孟超 | 王玉凤 | 彭军 | 陈伯明 | 孙伟 | 韩海升