《Journal of Cleaner Production》：Enhancing rapid removal of iron from recycled aluminium based on reducing interfacial mass transfer resistance by an immersion rotational segregation process
编辑推荐：
摘要铝废料的回收是铝行业实现碳减排的重要途径，其碳排放量仅占原铝生产排放量的3%–5%。然而，如何进一步将微量铁含量去除到一定范围内，以满足多等级高端铝合金的要求，仍然面临巨大挑战。在此，提出了一种新颖的浸没旋转分离工艺（IRSP），可在短时间内去除微量铁，该方法通过减薄边界
摘要
铝废料的回收是铝行业实现碳减排的重要途径，其碳排放量仅占原铝生产排放量的3%–5%。然而，如何进一步将微量铁含量去除到一定范围内，以满足多等级高端铝合金的要求，仍然面临巨大挑战。在此，提出了一种新颖的浸没旋转分离工艺（IRSP），可在短时间内去除微量铁，该方法通过减薄边界层有效降低了界面传质阻力。公斤级实验表明，单级工艺在3分钟内即可实现60%的铁去除效率。通过采用两级处理，铁含量成功从0.8 wt%降低至0.15 wt%以下，满足了高质量铝合金原材料的严格纯度标准。这种快速纯化过程由强烈的剪切力驱动，在高速剪切区和涡流区内引发复杂的流体相互作用，将浓度边界层压缩至0.31 mm，并显著降低了界面传质阻力。此外，进行了100公斤级放大实验以验证该工艺的产业可行性，在20分钟内实现了超过70%的铁去除效率。该方法为铝废料的超高价值升级提供了高效途径，显著降低了对原铝消耗的依赖，并为全球铝行业的碳减排做出了重大贡献。
引言
作为使用最广泛的金属材料之一（仅次于钢铁），铝是现代低碳经济的核心支柱，为交通运输、航空航天和可再生能源领域的绿色转型提供了不可或缺的工业基础（Alcoceba-Pascual等，2025；Capuzzi和Stauffer，2018；Shen等，2025）。然而，原铝冶炼是一个典型的高能耗、高碳排放过程（Seo等，2013；Zhang等，2023），每生产一吨原铝大约消耗13,000至15,000千瓦时（kWh）的电力（Dardor等，2025；Deng等，2026），这种高能耗生产伴随着每吨铝产出数吨至十余吨的二氧化碳当量排放（Hong等，2012）。与此形成鲜明对比的是，再生铝回收提供了一种变革性的替代方案，仅需原铝电解所需能量的3%–5%（Eckelman等，2014；Lu等，2022；Niero等，2016）。尽管再生铝具有显著的节能潜力，但全球铝行业仍然陷入普遍的降级回收模式，高性能废铝被降级用于低端铸造应用（Fikru和Kilinc-Ata，2024；Wang等，2024）。在此背景下，铝废料的高值化利用具有重要的现实意义和迫切的产业需求（Cui等，2026）。
然而，实现高值化升级面临一个严峻的冶金瓶颈：在废料收集和分类过程中不可避免地积累杂质元素（Becker等，2024；Gaustad等，2012；Takata等，2025）。与其他合金元素不同，铁在铝基体中的室温溶解度极低（低于0.05 wt%），从热力学角度来看，难以通过传统氧化或精炼方法去除（Huang等，2024；Luo等，2023）。因此，随着铁含量的不断积累，它倾向于在晶界处沉淀为粗大的针状或片状β-AlFeSi金属间化合物相（Xiao等，2020）。这些脆性相作为应力集中点，严重破坏了铝基体的连续性，导致延展性和疲劳强度急剧恶化（Yu等，2022）。因此，实现深度除铁是从回收低端废料向生产适用于航空航天领域的高性能合金过渡的关键先决条件（Niu等，2023；Sun等，2019；Zhan等，2023）。
为减轻铁的有害影响，业界开发和实施了各种去除策略。最直接的方法是掺稀原铝。然而，这种方法严重依赖高能耗的原铝资源，从根本上破坏了回收的低碳前提。另一种常见做法是中和法，即引入锰（Mn）等元素，将针状β相转变为危害较小的汉字形α相（P和C，2024；Sanchez等，2023）。虽然此法改变了相形态以提高延展性，但不可避免地增加了总杂质负担，并存在形成渣的风险。在物理分离方面，重力沉降和陶瓷过滤等技术已被广泛研究。然而，这些方法通常受限于分离速率缓慢，且熔体的滞留会导致铝凝固速率显著下降（Dietrich等，2017）。尽管新兴的超重力技术可以通过放大沉降驱动力来显著加速相分离，但高速离心设备的复杂性以及大规模生产放大中的固有挑战严重阻碍了其工业应用（Luo等，2022；Meng等，2018；Sun等，2023）。因此，开发一种高效、低成本且环境友好的纯化技术仍然是铝回收行业可持续推进的关键挑战。
鉴于上述局限性，分离法因其固有的深度杂质分离能力而成为一种优越的替代方案（He等，2018；Li等，2022）。然而，传统上依赖自然对流的分离过程通常受限于缓慢的扩散速率和有限的生产率，限制了其工业可行性。基本的动力学限制在于，杂质元素在固相与液相之间的界面传质严重依赖于界面前沿δ处的分子扩散。然而，自然对流无法有效破坏这一滞止层，从而导致极高的传质阻力。为了克服这一问题，我们利用本团队在通过外场调控增强界面传质以生产高纯硅和高纯碲方面的丰富经验（Qian等，2023；Shang等，2022；Zhang等，2024），将剪切增强的IRSP方法拓展应用于铝废铝熔体的深度纯化。
在本研究中，采用IRSP方法去除再生铝中的铁杂质，使用了本团队自主研发的IRSP设备。首先，利用公斤级实验室设备研究了再生铝中微量铁的去除行为以及IRSP过程中铝凝固的增强机制，包括结晶器的旋转速率和冷却速率。这使得在短时间内实现微量铁的深度去除成为可能。此外，采用原位流场检测方法和数值模拟方法研究了IRSP中铁杂质去除的机制，讨论了旋转剪切流引起的δ层减薄机制及其对界面传质动力学的影响。在此基础上，独立设计并开发了一套100公斤级放大验证实验装置，成功验证了再生铝中铁的去除效果。该策略确保了IRSP基于高效、低能耗投入工艺，实现了废铝循环的真正可持续性。
各章节摘要
材料
实验原料为宁夏银川某工厂的再生铝锭（90 mm × 50 mm），以铁（Fe）为主要杂质。经表面处理与清洗后，采用电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP）分析主要杂质，结果显示铁含量为0.73%（见表1）。
实验方法
实验步骤包括样品清洗、干燥、旋转分离除铁、取样和测试。首先，取800克原料……（原文此处截断）
IRSP的纯化原理与验证
为解决再生铝中深度除铁的挑战，图2展示了IRSP的总体设计理念及其背后的物理冶金机制。具体而言，图2a展示了自主研发的浸没旋转分离设备的示意图，该设备旨在克服传统凝固过程中的动力学限制（Wu等，2025）。与传统机械搅拌不同，IRSP利用高速剪切力产生的……（原文此处截断）
结论
通过IRSP，系统性地探索了废铝合金中铁的深度去除行为及相应机制。通过工艺实验、流场模拟和多尺度表征相结合的方式，定量揭示了工艺参数、流场结构、界面行为与铁去除速率之间的构效关系。主要结论如下：
- (1)
IRSP实现了高效的空域富集与去除……（原文此处截断）
CRediT作者贡献声明
张厚远：撰写–初稿，数据整理，概念设计。荣志仁：调查。陈元：调查。郑瑞利：调查。岳红：资源。陈超：方法学。潘晓林：方法学。王智：方法学。钱国玉：撰写–审阅与编辑，方法学。
利益冲突声明
作者声明不存在已知的可能影响本文工作的经济利益冲突或个人关系。
致谢
本工作得到了中国科学院战略性先导科技专项"化工冶金过程低碳转型技术及其示范"（批准号：XDA0390205）以及国家自然科学基金（批准号：52374418）的经费支持。我们感谢黄佳佳女士（SCI-Go）在测试方面给予的指导，为本研究的实验成果提供了支持。
张厚远|荣志仁|陈元|郑瑞利|岳红|庞晟|陈超|潘晓林|王智|钱国玉
