韩国高等技术研究院Basudev Swain团队在Critical Reviews in Environmental Science and Technology（CREST，《环境科技评论》）期刊发表题为“赤泥资源化——工业废物循环经济挑战；工艺及其化学综述（Red mud valorization an industrial waste circular economy challenge; review over processes and their chemistry; 2022, 52(4): 520-570）”的综述。
未经开发的赤泥含有0.5~1.7 kg/吨的稀土金属和一定量的Fe、Al、Si、Na和Ti，因此赤泥是一种非常有价值的稀土金属和其他有价金属的二次资源。储存的赤泥能够将技术和供应链上的关键金属封存起来。尽管赤泥中稀土金属的量小，但价值前景非常可观。到2020年，全球赤泥库存达40亿吨，每年产量为1.2~1.5亿吨。分析表明，工业规模的赤泥资源化可以从储存赤泥中释放出大约4.3万亿美元的稀土金属。本综述讨论了通过有价金属回收实现赤泥资源化，这是工业废弃物循环经济的挑战。与其他综述不同，本综述集中讨论了与赤泥资源化攸关的循环经济挑战和机遇。最后，在综合评述各种工艺的基础上，提出了一种从赤泥中连续回收有价金属的概念性工艺。进一步的赤泥资源化可以解决几个问题：(i)金属回收利用，(ii)稀土金属循环经济，(iii)工业的闭环过程，以及(iv)降低未来的碳经济。
图1 图文摘要（Graphic abstract）
赤泥——工业废弃物循环经济挑战。铝业作为大型工业，其大宗工业废渣赤泥的安全处置和经济管理是一项长期存在的挑战。从经济角度来看，目前对这一大宗废物的处置和管理远非理想，面临着巨大的处置成本，并呈现出长期负债的现象。从环境的角度来看，赤泥具有腐蚀性，产量大需占用大量土地用于管理，但却没有任何产出。因此，可持续的赤泥废物管理应该是一个越来越重要的优先事项。干堆积赤泥也可以为赤泥循环经济提供机遇和优势。赤泥组分与热动力学。为了从赤泥中回收金属/材料以及资源化，了解赤泥的化学成分和矿物学成分至关重要。因此，本节对其化学成分、矿物学成分及其热力学进行了评述和讨论。赤泥的典型成分因国家而异，甚至由于矿石和工艺差异而因行业而异。赤泥的代表性成分主要包含三种氧化物，即（i）主要金属氧化物，如Fe2O3、Al2O3、TiO2和CaO，（ii）次要但有价值的金属氧化物，如V2O5、SiO2和Ga2O3，以及（iii）稀有金属氧化物，如稀土氧化物。可以通过有价金属回收来实现赤泥资源化。为了通过火法冶金或湿法冶金等技术或两者的结合来回收有价金属，需要关注并充分理解热化学和溶液化学上可行性视角。通过Ellingham图和Pourbaix图可以理解通过火法冶金和湿法冶金对可能的有价金属回收的热力学。通过选矿工艺实现赤泥资源化。矿石处理技术可用于富集有价值的成分或去除不需要的成分，以便在随后进行火法和湿法冶金处理之前对赤泥进行有效的资源化。作为物理分离的矿石选矿工艺具有潜在的重大经济、环境和冶金效益。矿石处理技术的优点是（i）有价金属资源减量化，废物就地填埋，（ii）通过剔除不必要的材料，大大减少后续热处理或化学处理的负担，（ii）节约运输成本以及（iv）所有这些都使其具备碳收益和生态效率。火法冶金法回收有价金属。火法冶金是对矿石、精矿或废物进行热处理，使目标金属发生物理和化学转化，并实现其回收的过程，主要适用于铁、铅、锌、铜、锡和钨的回收。由于赤泥是一种非常复杂的废物，其主要成分Fe2O3和Al2O3的含量分别在20~25%和10~22%之间，产生量很大。根据效率和可持续性，火法冶金工艺可能是通过回收铁和铝实现赤泥资源化的主要工艺。湿法冶金法回收有价金属。由于赤泥资源化工艺尚未得到广泛研究，因此，文献中只报道了少数工艺。本节讨论了通过湿法冶金途径回收镓、镧、钪、钛、钇和锆来实现赤泥资源化。学界已提出了从赤泥中回收镓、冰晶石（Na3AlF6）、钪等的概念流程图或中试工艺。使用浸出和溶剂萃取方法从赤泥中回收钪的中试工厂流程图见图2，包括四个阶段，（i）浸出和沉淀，（ii）离子交换，（iii）中和工艺，和（iv）溶剂萃取。
图2 从赤泥中回收钪的中试工厂流程图
生物湿法冶金法回收有价金属。目前关于通过生物湿法冶金工艺从赤泥中回收有价金属的研究报告还比较有限。堆积生物浸出（生物湿法冶金）是一种潜在的技术，可有效用于铜、镍和贵金属回收。堆浸也可用于稀土金属回收。作为一种潜在技术，生物浸出可用于通过稀土金属和有价金属回收从而实现对库存赤泥的资源化。因此，通过生物湿法冶金进行赤泥资源化是有前景的。
火法和湿法冶金联合工艺回收有价金属。已有少量文献报道了从赤泥中回收铁、铝、钛、钒和钪的各种火法和湿法混合工艺。本节还总结了赤泥湿法冶金、火法冶金和联合工艺各自的优缺点。单个工艺都不能回收大多数金属，而只能回收少数金属，无法实现赤泥资源化的循环经济理念。联合工艺比任何特定工艺更有效，但目前报道的工艺还不够成熟，还需要进一步加强研究。
从赤泥中连续回收有价金属——展望。上述讨论的工艺主要侧重于选择性的金属回收，而不是全部的有价金属回收。尽管已有少数从赤泥中回收有价金属的报道，但大多数有价金属的连续回收几乎还未见报道。成本效益高、能耗低和绿色回收工艺是当前和未来的需要，因此应开发此类工艺，以应对与从赤泥这类废物中回收有价金属相关的挑战。基于上述讨论，本文提出了技术经济有利且环境友好的连续金属回收概念性工艺，如图3所示。流程图展示了仅从赤泥中回收有价金属的前景，还显示了几种用于回收各种金属的路线。
图3 从赤泥中回收有价金属的概念路线图
通过有价金属回收实现赤泥循环经济——机遇。考虑到全球储存的40亿吨的赤泥量和赤泥中的金属含量，可以分析赤泥中锁定的总合理财富。经估算，从赤泥中回收稀土金属可以释放大约4.3万亿美元的经济价值。因此，从循环经济的角度来看，赤泥在工业规模上的定量资源化具有重要意义，可以从全球赤泥库存中释放数十亿美元的机会。替代的赤泥资源化——建筑材料和陶瓷。利用赤泥生产建筑材料，如水泥、玻璃陶瓷、砖块、矿物聚合物和屋顶砖，有助于减少水泥生产行业的碳足迹，并将其处置相关问题降至最低。由于智能城市是时代的秩序，赤泥可以方便地用作城市化和工业建设的建筑材料，同时解决环境、能源和碳足迹问题。目前已有少量文献报道了通过建筑材料和陶瓷实现赤泥资源化。
由于环境、土地稀缺和处置成本等重大问题，工业经济体对稀土金属和有价金属的当前需求，以及中国对稀土金属市场的垄断，赤泥的储存似乎适得其反。继续储存赤泥的做法也可能造成管理方面的挑战。对于依赖金属或矿石进口、生产大量铝的国家来说，赤泥通常是稀土金属的合适二次资源，特别是钪。从赤泥中回收有价金属（如稀土金属）是满足此类金属需求的可行选择。虽然文献已经包括了一些专利和学术论文，但在工业规模上对赤泥的最优化利用几乎是不存在的。大量未充分利用的赤泥的有价金属回收需要更多的关注。
Basudev Swain，博士，韩国高等技术研究院（IAE）材料科学与化学工程中心高级研究员（Senior Researcher）。主要从事冶金和材料科学、废物价值化和循环经济、电子废物管理和资源回收等方面的研究工作。