综述：铝回收的综合方法：从传统废料处理到铝土矿残渣增值利用

《Applied Sciences》：Integrated Approaches to Aluminum Recycling: From Conventional Scrap Processing to Bauxite Residue Valorization

　　

全球对铝的需求不断增长，加之日益严格的环境约束，促使业界对更可持续的生产和回收策略的需求愈发迫切。尽管基于废料的传统铝回收已相当成熟且具有很高的能源效率，但仍有相当大比例的铝存留于工业残渣（如铝土矿残渣（bauxite residue，即赤泥））中而无法被获取。现有研究大多分别针对废料回收或赤泥增值利用展开，鲜少在统一资源效率框架内对这两种途径进行整合。该论文对铝回收技术进行了全面综述，重点关注其在循环经济战略中的作用，并强调了从赤泥中回收二次资源日益增长的重要性。研究对现有回收技术进行了批判性评估，着重阐述了杂质积累、合金复杂性和工艺局限性等关键挑战。此外，论文对两条技术路线进行了专门的比较分析，揭示其互补性、技术成熟度差异以及在循环经济框架内联合实施的现实路径。通过上述工作，该研究弥合了传统铝回收与替代性二次资源利用之间的鸿沟，使其有别于以往将这两个领域分开处理的综述文献，从而为发展更可持续的铝生产体系作出贡献。

**1. 引言**

铝因其低密度、高比强度、优异的耐腐蚀性、良好的成形性以及可回收性，成为应用最广泛的有色金属之一。这些特性使铝合金尤其适用于交通运输、建筑、包装、电气工程和航空航天等领域。近年来，随着轻量化材料在现代工程系统中被越来越多地用于提高能效和减少温室气体排放，全球铝需求显著增长。原铝生产基于两大工业过程：用于从铝土矿中提取氧化铝的拜耳法（Bayer process）和用于铝还原的霍尔–埃鲁特电解法（Hall–Héroult process）。尽管这些技术已相当成熟并被广泛采用，但其能耗极高且带来显著的环境影响，包括高耗电量、温室气体排放以及大量工业残渣的产生。据估计，生产一吨原铝需要超过100 GJ的能量，这使铝生产成为能源最密集的冶金过程之一。表1清晰展示了原铝生产过程中能耗和CO₂排放随时间的显著下降趋势，能耗已从20世纪初的约200–250 GJ/t降至现代低碳技术的约50–60 GJ/t，CO₂排放也从超过20 t CO₂/t Al降至约6–8 t CO₂/t Al。

原铝生产的主要环境问题之一是赤泥的生成，这是拜耳法过程中产生的高碱性残渣，每年产生巨量并储存于处置区，带来环境和安全挑战。铝回收仅需原铝生产能耗的约5–10%，并能显著减少温室气体排放和水消耗。由于铝可以反复重熔而其冶金性能不发生显著退化，它成为回收最成功的工程材料之一。二次铝生产的重要性日益提升，使回收技术成为可持续材料管理和循环经济战略的关键组成部分。然而，仍存在若干技术和冶金挑战，特别是与铝合金体系的复杂性以及反复回收循环中杂质元素的积累有关。除传统废料回收外，近年来越来越多的关注投向从原铝生产产生的工业残渣中回收铝，其中赤泥因含有残留铝化合物和其他有价元素而具有潜在的重要二次资源价值。尽管关于铝回收和赤泥利用的研究已很广泛，但这两个领域在文献中常被独立对待。现有综述文献通常将这两个领域分开处理，本综述通过在一个统一框架内审视这两个领域、明确比较其技术成熟度、回收效率和工业约束，并阐明其联合实施——而非孤立采用任一方法——如何为铝工业提供更完整的资源效率战略，从而填补了这一空白。

**文献检索与数据汇编方法**

表1、表2、表3及图1中的数据由作者通过对铝生产、回收和铝土矿残渣增值利用的同行评审文献进行结构化综述后汇编而成，检索使用了Scopus和Web of Science数据库，关键词组合包括“aluminum recycling”“secondary aluminum”“bauxite residue”“red mud valorization”和“circular economy”。该综述遵循叙述性/批判性综述的标准方法而非正式PRISMA-type方案下的系统综述。当多个来源对同一参数（如能耗、CO₂排放或金属回收率）报告不同数值时，保留报告范围以反映文献中的变异性而非单一平均值。检索主要覆盖2000年至2026年的出版物，并酌情纳入更早的基础性文献。

**2. 铝回收文献综述**

铝回收因其显著的环境和经济效益而被广泛研究。与原铝生产相比，铝废料重熔可节省高达95%的能耗。表2展示了铝回收技术的演变过程及效率的相应提升：基于人工分选的早期回收方法效率低于50%，而LIBS和XRF分选等现代技术的效率超过90%，表明先进传感器分选技术在改善材料回收方面发挥关键作用。铝废料来源广泛，包括制造残渣（新废料）和消费后产品（旧废料）。新废料通常具有明确的成分，相对易于回收；而旧废料因污染和合金多样性通常需要复杂的分选和处理程序。图1显示新废料在较早时期占主导地位，而旧废料随时间显著增长，反映了铝产品达到寿命终期所带来的结构性转变——旧废料成分异质且日益主导可用原料供应，使铝回收行业日益依赖先进分选和杂质管理技术，而非仅靠清洁新废料的简单重熔。杂质元素的积累是铝回收的另一个重要挑战。由于大多数合金元素在常规重熔过程中难以去除，其浓度可能逐渐增加，导致降级回收。为此，研究人员开发了分步结晶、真空蒸馏和先进熔剂处理等精炼方法，并提出了对杂质元素更宽容的新型铝合金设计。固态回收技术作为传统重熔的替代方案也受到越来越多的关注。生命周期评估研究表明，高效铝回收系统可显著减少铝生产相关的环境影响。然而，现有回收系统仍面临重要限制：铝合金日益复杂化和杂质元素的积累对实现真正闭环回收构成重大约束；LIBS和XRF等先进分选技术虽高效，但涉及高昂成本和操作复杂性，可能限制其更广泛的工业应用。

**3. 铝合金的回收**

铝合金的回收通常涉及废料收集、分选、清洗、重熔和精炼等多个技术阶段。不同种类的铝废料需要特定的处理程序以确保高效金属回收和可接受的产品质量。重熔阶段通常在旋转炉、反射炉或感应炉中进行，使用各种熔剂去除氧化物夹杂和杂质，并采用除气处理去除溶解氢。陶瓷泡沫过滤器等过滤技术常用于改善熔体洁净度。工业实践中的定量数据揭示了整个回收链中的显著材料损失：清洁变形合金的重熔氧化损失为1–3%，受污染或严重氧化废料的损失可高达5–8%；旋转炉处理混合和受污染废料时，每吨处理材料产生约200–400 kg盐饼。即使在优化工业条件下，混合消费后废料的净金属回收率也很少超过85–90%。

杂质积累问题需要从热力学角度特别关注。Nakajima等人的热力学模拟表明，许多常见杂质元素（尤其是铁、铜和镍）在常规重熔条件下在熔融铝与渣相之间呈现不利的分配系数。铁主要以金属间化合物相（Fe₃SiAl₁₂、β-AlFeSi）积累，未经选择性分选而由混合汽车废料处理得到的回收合金中，铁含量无法降至约0.4–0.6 wt%以下。这意味着标准熔剂处理在热力学上无法将杂质去除至满足高规格变形合金要求的水平，导致系统性降级回收。工业界通常依赖级联回收系统，使高质量合金废料逐渐转化为纯度要求较低的合金。

克服这一结构性限制需要多种互补策略：从合金设计角度，开发容忍杂质的变形合金规格可减少对原铝稀释的依赖；从分选角度，传感器技术和AI辅助光谱分类的发展为熔炼前的亚等级、合金特定分离提供了可能；从精炼角度，分步结晶和先进熔剂处理等针对性杂质去除方法可进一步降低高价值馏分中的铁和硅含量。这些策略可分为两条互补技术路径：前端精确分选（基于传感器的LIBS/XRF分离）在熔炼前解决问题，工业成熟度高（TRL 8–9），但受限于分选设备的资本成本；后端熔体精炼（分步结晶、先进熔剂处理、真空蒸馏）在混合发生后去除杂质，分步结晶可达到精炼路线中最高的可达到纯度，但工业成熟度较低（TRL 4–6），受限于低处理量和间歇式操作。表3对主要铝回收和精炼技术进行了比较。在工业成熟度方面，反射炉和旋转炉重熔是全面成熟的工业实践（TRL 9），传感器分选（LIBS/XRF）已在商业上确立，固态回收和先进精炼路线仍主要限于中试或实验室规模示范（TRL 4–6）。在能耗和环境影响方面，清洁废料重熔仅需原铝生产约100 GJ/t能量的5–10%，CO₂排放比现代原铝生产的6–8 t CO₂/t Al低约一个数量级；旋转炉处理受污染废料需处置或处理每吨材料200–400 kg盐饼；先进分选技术则需大量资本投入。这两项局限——杂质元素积累造成的结构性上限和替代精炼路线的有限工业成熟度——界定了传统回收单独无法跨越的可获取金属边界。赤泥增值利用并不能消除这一边界，但它针对的是性质不同的铝资源：传统回收最大化保留已在使用铝的价值，而赤泥增值回收的是否则将永久流失于处置场的铝。二者是互补而非竞争的战略。

关于熔盐电解，Qiao等人研究了以粗Al–Si合金为可溶阳极在AlCl₃–NaCl–KCl熔盐体系中回收铝的方法。在电解温度170 °C、电流密度30 mA/cm²、电解1.5 h的条件下，电流效率超过94%。电解过程中，粗Al–Si合金中的铝以Al₂Cl₇^?和AlCl₄^?的形式存在并在阴极析出，电沉积在铝阴极上的铝纯度为99.3%。

**4. 铝土矿残渣（赤泥）作为铝的二次来源**

**4.1. 引言**

赤泥是拜耳法生产氧化铝过程中产生的高碱性副产品（pH 10–13），具有粒度细、矿物组成复杂的特点。每生产一吨氧化铝约产生1–1.5吨赤泥，全球年产生量超过1.8亿吨。赤泥含有氧化铁、二氧化钛、稀土元素和残余铝化合物等有价组分，因此作为潜在二次资源受到广泛关注。目前已提出多种湿法冶金和火法冶金工艺用于从赤泥中回收铝和其他有价金属。湿法冶金方法通常涉及酸浸或碱浸后接沉淀或溶剂萃取技术，火法冶金方法涉及高温还原或熔炼操作。除铝回收外，综合处理方法还可同时回收铁、钛和稀土元素。最近的研究表明，赤泥可以通过结合湿法冶金和火法冶金的综合处理路线实现增值利用，从而实现铝、铁和稀土元素的同时回收。新兴的选择性浸出和等离子体处理方法在提高金属回收效率和减少环境影响方面显示出潜力。

**4.2. 高压湿法冶金方法（高压釜）**

该方法使用石灰防止高温和高峰碱浓度下的二次反应，可实现约90%的高氧化铝和碱回收效率。Gazaleeva等人提出了赤泥综合处理以实现铁湿法冶金分离的方法。Pasechnik等人将赤泥与氢氧化钙混合并添加FeSO₄·7H₂O，在恒定CaO/SiO₂摩尔比下改变Fe(II)/Fe_RM摩尔比，经水热消化后自然冷却至室温。在Fe(II)/Fe_RM比为0.067、CaO/SiO₂比为0.28、250 °C下消化120 min，赤铁矿转化效率达34.9%。Al₂O₃相对产率高于75%是在CaO/SiO₂比从0增加到0.28时以小量石灰实现的，当该比从0.28增至1时产率急剧下降至40%。非磁性部分将被处理以从Fe₂O₃中生产SiO₂和铁，在添加氢氧化钠后可制备氢氧化铝和氢氧化镓。

**4.3. 联合火法冶金与湿法冶金方法**

Kaussen和Friedrich开发了一种混合工艺：铝土矿残渣在电弧炉中经石灰添加还原熔炼生成富含氧化铝的炉渣，随后在中等（200–300 g/L）和高（572–762 g/L）氢氧化钠浓度下进行高压苛性浸出。拜耳法工艺的铝回收率约为70%，在高NaOH浓度下炉渣浸出的铝提取率极高达95%，而优化烧结工艺后在50 °C下水浸的回收率也接近90%。氢等离子体还原与分离炉渣湿法冶金处理相结合的最新策略代表了一种脱碳路线。氢等离子体还原在电弧炉中已被证明是将赤泥氧化铁快速转化为液态铁同时中和残渣的有效途径。

赤泥中含有的残余含铝矿物包括硬水铝石、各种钠铝硅酸盐含水合物、钙霞石和水榴石。铝土矿残渣通常含15–25%氧化铝，具体取决于矿石来源和工艺条件。Wang等人提出了从赤泥中进行金属处置方法的一般分类，包括烧结工艺、高压CaO法、亚熔盐法、碳酸钠分解、酸浸、熔融-酸浸提取耦合法和生物浸出。

**4.4. 苏打-石灰烧结工艺**

该工艺主要在中国使用，包括常压浸出后的高温烧结、液固分离、碳酸化分解、碱液蒸发和最终的Al(OH)₃煅烧。研究表明，添加BaO、CaO和MgO可提高氧化铝回收效率，其中BaO可实现99.50%的效率。该工艺虽有高效，但存在石灰消耗量大、烧结温度范围窄、残渣生成量大、能耗高和干燥过程中CO₂排放量高等缺陷。Behera等人引入了一种创新的低温（<150 °C）NaOH预处理方法，通过最少水量（碱焙烧）实现，随后的浸出步骤中Al₂O₃回收率超过70%。

**4.5. 低钙烧结工艺**

该工艺旨在减少石灰用量、残渣和能耗。工艺首先进行干式烧结，然后氧化铝浸出，最后水热转化。该工艺生成稳定的Na₂CaSiO₄化合物，降低了石灰消耗并允许将烧结温度降低100–200 °C，显著减少能耗。与传统的石灰-苏打烧结工艺相比，该工艺的石灰添加量和尾矿量均低约50%，氧化铝和碱的回收率可分别超过93%和96%。综合考虑所有赤泥回收策略，研究人员认为湿法冶金方法在效率和降低能耗方面是Alumina Zvornik公司的最佳方案，该策略能够实现铁、铝和关键金属（如稀土元素、镓和钒）的选择性分离。

**5. 循环经济框架下传统回收与赤泥增值利用的整合**

传统铝回收和赤泥增值利用虽然针对根本不同的物料流，但有着共同目标：回收否则将流失于材料循环中的铝。传统回收处理的是已在使用中的铝，清洁和混合废料可实现85–97%的金属回收率，但根本性地受限于热力学驱动的杂质元素积累；赤泥增值利用针对的是从未重新进入材料循环的铝，成熟和新出现的湿法冶金、火法冶金及混合路线的氧化铝和碱回收率在70–99%之间，具体取决于工艺和残渣的矿物学特征。由于两条路线利用的是实质不同的铝资源——消费后和生产废料与目前被视为废物的工业残渣——其联合实施可扩展总体可回收铝的比例，超出任一单独路线所能达到的水平。在工业成熟度方面，基于重熔的回收和传感器分选已全面建立（TRL 8–9），而赤泥增值利用覆盖了更广的成熟度范围——从工业应用的烧结工艺到仍处于中试规模开发的混合熔炼-浸出路线。这种不对称性提示了一条现实的整合路径：传统回收基础设施继续处理铝废料流而无需改变，赤泥增值利用则作为并行互补流进行开发和扩展，汇入相同的下游铝供应链，而无需将两者物理或技术上合并为单一工艺。此外，赤泥增值利用路线通常还回收铁、钛和稀土元素等额外工业价值元素，这些元素在传统废料回收中完全不存在，这使赤泥增值利用不仅是替代性铝源，更是多元素回收途径，进一步强化了在铝工业循环经济战略中对其统筹考虑的必要性。

**6. 结论**

本综述表明，铝回收和铝土矿残渣（赤泥）增值利用虽然传统上被视为独立研究领域，但代表了通向更资源节约型铝工业的互补路径。传统废料回收仍占主导地位，提供显著的节能效益（较原铝生产节省高达95%）并通过LIBS/XRF技术不断提高分选效率。然而，传统回收存在结构性限制：铁、铜和镍等杂质元素在熔融铝和渣相之间的热力学不利分配限制了混合废料的净金属回收率（约85–90%），并导致高规格变形合金的系统性降级回收。赤泥以每吨氧化铝产生1–1.5吨的速率生成，全球年产量超过1.8亿吨，保留了15–25%的残余氧化铝以及可回收的铁、钛和稀土元素，但除少数工业成熟路线（苏打-石灰和低钙烧结、高压浸出以及新兴的混合熔炼-浸出工艺）外仍 largely 未被开发。这些方法报告的氧化铝和碱回收率（70–99%，取决于工艺和赤泥来源）证实了赤泥增值利用的技术可行性，同时也表明目前不存在“普适”工艺，因为性能强烈依赖于每种残渣的矿物学特征。将这些发现综合起来，可以支持本文的核心论点：在统一循环经济框架内整合传统铝回收与赤泥增值利用，为闭合资源循环提供了现实路径——在废料质量允许时回收高纯度金属，在无法实现时从残渣中回收本会流失的铝、铁和关键元素。第4节提出的湿法冶金策略——结合水热消化进行磁铁矿/氧化铝分离以及随后的铝和氢氧化镓沉淀——是朝这一方向迈出的具体一步。从传统回收的角度看，主要剩余障碍包括缺乏标准化的容忍杂质合金规格、传感器分选在较小操作规模下的资本成本，以及分选、重熔和精炼路线之间缺乏协调一致的技术经济基准。未来研究应优先发展杂质容忍合金标准、经济有效的亚等级分选技术以及标准化生命周期评估，以直接比较回收和残渣增值利用路线。通过工艺整合而非在废料回收或赤泥处理方面的孤立改进来解决这些障碍，对于提供可持续低碳材料经济所需的二次原材料（铝、铁和关键/稀土元素）至关重要。