赤泥的研究現狀與展望

郭思瑤 劉 佳2 趙英杰 龐 磊3 王 健

(1.遼寧科技大學 礦業工程學院 遼寧 鞍山 114051；2.遼寧科技大學工商管理學院 遼寧 鞍山 114051；3.遼寧科技大學 土木工程學院 遼寧 鞍山 114051)

一、引言

赤泥是氧化鋁在生產過程中產生的工業廢棄物，強堿性、高放射性以及較高的污染性是赤泥的主要特點。赤泥的顏色基于它的含鐵量較高而呈現紅土顏色。通常情況下，生產每噸氧化鋁產品就會伴隨1-2 t赤泥產生。截止到2016年6月,中國氧化鋁產量為4954萬t，全球的氧化鋁產量亦在9514萬噸[1]。我國作為世界氧化鋁生產大國，在工業生產中，每年都有大量的赤泥廢渣占地堆放[2-4]。由于多渠道化利用赤泥的方法還不夠完善，而且赤泥的大量堆積已經占用了一定面積的土地并產生了嚴峻的環境問題,由赤泥引發的環境污染等問題也成為社會環境污染的一大熱點問題之一[5-7]。近年來許多 國家致力于實現赤泥的二次利用，最大限度的限制赤泥的危害，針對這一問題有關人士對其進行了實驗與研究發現由于赤泥具有比表面積大，在溶液中穩定性好，分散性、吸附性好等性質，因而赤泥在治理污水、治理土壤、治理廢氣等環境治理方面還有積極的作用[8-15]，但由于技術條件的限制，目前還無法大范圍的實驗與應用。一旦取得進一步的突破，將會對治理環境污染提供了一個新的方法與途徑[16-23]。本文綜述了赤泥的基本性質、危害和當前的應用現狀等多方面信息，為赤泥的最大化利用提出了展望。

二、赤泥的簡述

(一)物理性質

根據表1可知赤泥具有強堿性，其pH范圍在10-12之間，熔點范圍1200-1250℃，由于由于鋁土礦的成分與工藝的不同，產生的赤泥粒度尺和相對密度寸也有差異，通常將赤泥的粒度范圍規定在0.08-0.25 mm范圍，相對密度范圍在2.9-2.9之間。

表1 赤泥的物理性質

(二)赤泥主要的化學成分

表2 赤泥的主要成分

由于鋁土礦種類的不同、生產方法的不同，導致赤泥的物相組成及化學組分含量也不盡相同。氧化鋁生產主要方法包括燒結法、聯合法和拜耳法。赤泥的化學的主要組成成分含量見表2。表2表面赤泥中主要礦物有CaO、SiO2、Fe2O3、Al2O3、Na2O等[23]，其中氧化鈣和二氧化硅含量較高，除此之外還含有其它微量的有色金屬等。除了表2的化學組成以外，赤泥中還含有稀土元素和一定量的微量放射性元素，如Re、Ga、Y、Sc、Ta、Nb、U、Th和La-Lu等。赤泥中主要的化學成分不是對環境造成危害的物質，但其中含有的Na2O的附液赤泥是對環境產生危害的因素之一[23]。

三、赤泥的危害

赤泥因屬于強堿性物質，且氟化物含量較大(4.9-8.6mg/L)，屬于有害類廢渣。目前,國家一直在提倡環境保護，而越來越多的人開始關注赤泥對環境的危害,主要表現在占用土地和農田，污染土壤、水資源和大氣，腐蝕建筑物和構筑物表面,甚至對環境造成放射性污染。

(一)占用空間

目前，在工業制鋁過程中所產生的廢渣的赤泥大部分只能作堆積存放，還不能大批量的回收利用，因而大部分國家采用建造赤泥的對機場到底來實現赤泥的存放。赤泥堆場主要有四種類型，分別是溝谷型、排海型、人工凹地型、平地高臺型。其中排海型都是海洋堆存方式，其余均為陸地堆存方法。臨海的一些發達國家采用將赤泥排放到海底的方式。這一處理方式嚴重的污染海洋，對臨海漁業的生產產生了極大的危害。因而許多工廠處理大量赤泥一般采用陸地堆存的方式。隨著赤泥產量的增長，也勢必導致所占用土地面積的增長(圖1)，這對我國越來越稀缺的土地資源造成了威脅。赤泥的大量堆場不僅占用大面積珍貴的農田土地，而且堆存還需要昂貴的堆場維護費及特定的設施費用此外。

圖1 赤泥占據土地資源空間

(二)污染土壤和水資源

赤泥由于原料及生產等方面的原因有強堿性，其中及一定量的Pb、Zn、Cd和Cr等危害性重金屬離子，赤泥長期露天堆存并且在雨水的淋濾下會造成有害物質的滲漏，對土壤、湖泊河流及地下水造成嚴重污染(圖2)。赤泥長期堆存在土地上，會造成土壤表面污染，使土壤堿化，從而影響農業、林業、種植業。這種破壞性的影響，使得堆存過赤泥的土地難以復墾，大大降低了我國的土地利用率。如未對赤泥堆場采取防滲措施或防滲措施不到位，赤泥也會對水造成嚴重污染，這主要表現在2個層面上：一方面，極細的赤泥顆粒會懸浮在水中，隨水流動，從而造成水體污染；另一方面，赤泥高堿度 的淋濾液滲入地表、地下，會引起水體pH值升高，水質總硬度增加，嚴重的還會引起鉻、砷等元素和氟化物污染水體；同時由于水中化合物的毒性往往會受pH值高低的影響，因此還可能造成更嚴重的水污染。

圖2 赤泥的對土壤和水資源造成污染

(三)污染空氣

赤泥的粒度極細，而且不具有凝膠性，堆積裸露在外的赤泥經長時間的風吹日曬，脫水風化，在一定程度上會導致表層的粘結性變差，而且粉塵隨風進入空氣中，造成霧霾的天氣，影響空中的能見度、并破壞生態環境，甚至因此導致交通事故的發生率大大提升。而這種物質還會進入我們日常生活的許多場合，給人類的的健康和生存環境帶來諸多不利影響。

(四)對人體的危害

赤泥中的堿性成分可能會導致人體的酸堿失去平衡，影響到酶促反應的效率，使身體內清除病害速度慢于被病害破壞的速度，加重病情；赤泥中的氟化物能使人體的骨骼受害，重者導致骨質疏散或變形，易于自發性骨折。此外氟化氫對呼吸器官還具有刺激作用，容易引起鼻炎、氣管炎，使肺部纖維組織增生等疾病；赤泥粉塵中所含有的鋁化物一旦進入人體，首先沉積在大腦內導致腦損傷，造成嚴重的記憶力喪失，鋁還能直接損害成骨細胞的活性，從而抑制骨的基質合成。因此，赤泥揚塵會對人類的健康造成極大的危害。

四、赤泥的應用

本節綜述了赤泥在廢水處理、廢氣處理、土壤修復以及材料性能方面的應用。詳細說明了赤泥的的吸附特性，膠凝作用以及自身的固有性質。

(一)赤泥在廢水治理方面的研究與應用

赤泥對于廢水中Cu2+、Zn2+等具有一定的吸附作用。赤泥含有的氧化物表面反應活性強.與硬石膏混合吸附鎳離子，效率可高達100%。赤泥在高溫下煅燒，加入含有重金屬離子的廢水，可以大大提升吸附率，相較于傳統石墨吸附離子，更加經濟。拜耳法赤泥在國內用來探測試驗處理廢水，也同樣可以達到廢水排放標準。

赤泥往往還用于污水凈化，作為廢水的澄清劑。活化的赤泥，作為吸附劑，絮凝劑把廢水中的無用金屬和非金屬離子吸附，經過酸性或堿性處理掉，使廢水得到澄清。

(二)赤泥在廢氣治理方面的研究與應用

根據調查顯示，赤泥的化學成分相對穩定、比表面積較大，且顆粒較為細小、又具有膠結的孔架狀結構，而且其中有效的固硫成分含量較高(MgO、CaO、Na2O及Al2O3、Fe2O3)等特點，又由于赤泥中存在著溶解性堿，因而其對于空氣中 SO2、NO2、H2S等酸性有害氣體有較強的吸附能力。赤泥目前有干濕兩種方法來吸附廢氣，且效都果很顯著。

赤泥可代替石灰處理廢氣。目前，國內外仍有將赤泥在煙氣脫硫方面的實驗與研究，據調查結果顯示，赤泥比石灰石更具有較強的固硫能力。石灰石因其資源豐富，成本低廉等優勢被廣泛應用于固硫劑，但應用于實際發現固硫效率不高，在燃燒的方式下，固硫效率更低，而通過實驗研究發現，赤泥不僅具有較高的活性，而且硫容量也很大，具有“硫化活化”的現象在赤泥中加入少許碳酸鈉，可以處理氣體中含S的氣態物質。目前將赤泥制成脫硫劑及它的脫硫能力有較高的評價。

赤泥不僅具有較高好的固硫效果，而且赤泥在礦井廢水吸收液中具有良好的煙氣脫硝效果，考察了不同因素對吸收效果的影響，但關于赤泥的脫硝的研究成果還相對較少，不是很詳細。可見赤泥的脫銷效果也是未來具有研究意義的一大課題。不僅如此，冶金工業中，赤泥用來做還原廢氣中氫氧化物的催化劑。

(三)赤泥對污染土壤的修復作用

由于赤泥本身對重金屬具有良好的吸附性能。因而可將赤泥用于受重金屬污染土地的修復，赤泥對土壤中的 Cu2+、Ni2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+等重金屬離子有較好的固定性能，使其由可交換態轉變為鍵合氧化物的狀態，從而大大降低土壤中的重金屬離子的活力，有利于土壤中植物的生長和微生物的生存。且研究表明，經赤泥修復后的重金屬污染土壤孔隙水中的重金屬含量大大下降，如Zn含量由50～100mg/L降至5 mg/L;與此同時土壤中微生物含量得到了提高，而農作物種子及葉子中的重金屬含量大為降低[6]。

赤泥成堿性，可以通過施用赤泥來提高土壤的pH值，改善土壤的酸堿狀況，調查結果顯示，赤泥能有效的降低土壤中Cr、Cd的含量，提高土壤的碳酸鹽結合態和Pb、Zn的含量，且用量越多,效果越明顯，施用赤泥后土壤pH有顯著升高,一方面使土壤膠體表面負電荷增加,對重金屬離子的吸附能力增強;另一方面可以使土壤中的Fe3+、Mn2+等離子形成羥基化合物,提供更多的重金屬吸附位點。但施用赤泥提高土壤pH與對土壤中Pb、Zn的吸附作用各自對土壤中Pb、Zn形態變化的貢獻還有待進一步的研究[18]。

由于赤泥中含有大量的Si、K、P等元素，同時還含有數十種農作物必需的微量元素及一定的堿度。赤泥經脫水后，可配乘硅鈣農用肥調節一些酸性的土壤，改善土壤的pH；對缺Ca、Si、K、P等微量元素在一定程度上能夠起到增產的作用。不過，赤泥的成分特別復雜，長期大量施用會造成地下水的污染，并且其堿性很高，對土壤的改良作用也有一定的限度。

(四)赤泥作為道路材料的應用

赤泥是一種細粒級、多孔狀結構，固化表面積大的一種高堿低鋁，高鐵低硅的細粒廢渣，赤泥集中在堆場長時間堆放則會結成大塊狀顆粒，這些顆粒多孔狀結構，有很強的吸水性能，顆粒度細小不均，顆粒內部毛細網狀結構十分發達具有較高的比表面積，由于干燥赤泥極易吸濕，因而赤泥的強富水性能一般較高，赤泥中含有較多的硅酸二鈣，由于沒有積聚熱能，故無水化活性[1,18]。所以大部分都是以游離的氧化鈣的形式存在的，所以赤泥可以自行固化，但其強度不高。利用其以上性質在將赤泥與粉煤灰與石灰這三者之間產生的膠凝作用使赤泥團聚成塊固結而產生強度[15]。可作為道路基層材料(圖3)，常用于瀝青路面或水泥混凝土路面的材料。

圖3 赤泥作為道路材料

2017年5月3日-5月4日，山東省住房與城鄉建設廳在濱州市組織召開了由山東海逸交通科技有限公司自主研發的“赤泥基道路混凝土”產品技術成果鑒定會，對赤泥試驗路進行了實地考察，經質詢討論之后，專家組一致認為赤泥基道路混凝土產品及技術達到了國際先進水平，填補了國內赤泥路用技術空白。“赤泥基道路混凝土技術”已經成功應用于北海經濟開發區市政道路建設以及濟青高速公路改擴建工程項目，赤泥用作路基材料成本低廉、性能優良，可見未來應具有更廣闊的市場應用前景。

雖然赤泥在作為道路基層材料還受其他方面的制約，比如一般情況下赤泥都集中在堆場堆放，如果不是在堆場附近修路的話，我們運輸赤泥的成本費用會占用很大的比重，耗費大量的人力物力，這是制約赤泥作道路基層材料的一個主要因素。

五、結論與展望

對于廢棄物赤泥的處理與合理利用是不僅是我國的一個難題，更是一個世界性的難題，很多國家開始逐步重視赤泥的合理應用，同時由于赤泥本身也有著一定的優越的品質，作為污水治理，廢氣處理，土壤資源的修復，以及作為道路基本材料使其得到充分的利用，大大提高其附屬價值。但是目前的很多成果還處于研究階段，很多成果尚未實現工業應用，而在赤泥的工藝開發方面，還要考慮分層次、多種用途綜合衡量，真正做到物盡其用，產生良好的社會效益和經濟效益。因此，我們還需要對赤泥進行更加深入的研究。對全國的工業廢棄物的減量化、資源化、無害化利用起到積極的推動作用，具有里程碑的意義。