赤泥是拜耳法生產(chǎn)氧化鋁時(shí)衍生的強(qiáng)堿性工業(yè)廢料，目前全球堆存量已超40億噸，大部分被長(zhǎng)期堆存于廢料池或干燥堆場(chǎng)，回收利用率僅3%。赤泥中氧化鐵含量較高，是鐵礦石的潛在替代品。近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)高敏銳教授團(tuán)隊(duì)與合肥國(guó)軒新材料科技有限公司常元?dú)J博士合作，發(fā)展了一種等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相還原工藝，以氫氣作為還原劑，成功實(shí)現(xiàn)了從赤泥中高效提取鐵 (圖1) 。相關(guān)成果于9月29日以“Hydrogen-Based Reduction Boosts Sustainable Iron Production from Red Mud”為題發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》上（J. Am. Chem. Soc.2025, DOI:10.1021/jacs.5c10175）。
圖1:“綠氫冶鐵”技術(shù)的藝術(shù)示意圖
研究團(tuán)隊(duì)使用PECVD設(shè)備產(chǎn)生高能氫等離子體，并將其用作赤泥的還原劑。該技術(shù)大幅降低了反應(yīng)溫度，將傳統(tǒng)工藝所需的1200oC 以上高溫降至900oC。同時(shí)，綠鐵的提取效率大幅提升，在 900oC 條件下，僅需數(shù)分鐘即可生成單質(zhì)金屬鐵。通過(guò)該工藝提取的鐵品質(zhì)優(yōu)異，鐵品位高達(dá)71%，綠鐵回收率達(dá)到88.1%，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的濕法冶金、超導(dǎo)磁選以及還原焙燒-磁選等工藝，滿(mǎn)足鋼鐵生產(chǎn)對(duì)高品質(zhì)鐵原料的需求，具備極高的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。
相比傳統(tǒng)赤泥提鐵方式，該工藝產(chǎn)生的赤泥殘?jiān)?pH 值降至接近中性（7.8），且元素浸出量極少，無(wú)需額外進(jìn)行昂貴復(fù)雜的中和處理。該工藝處理 1 噸赤泥的成本僅為 137 美元，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的酸浸法、超導(dǎo)磁選法等工藝成本（圖2）。未來(lái)，若采用可再生綠電驅(qū)動(dòng)，還可進(jìn)一步降低能耗成本，提升經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力，具有產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的潛力。該工作提出的氫等離子體還原鐵氧化物的技術(shù)副產(chǎn)物僅為水，實(shí)現(xiàn)了近零碳排放，從而為未來(lái)綠色鋼鐵轉(zhuǎn)型提供了一種低碳、環(huán)保、高效的提鐵新工藝。
圖2:等離子體增強(qiáng)氫氣還原與其他提取方法的比較
論文共同第一作者為中國(guó)科大碩士研究生梁文龍、博士研究生張玉才與李燁成。相關(guān)研究受到國(guó)家自然科學(xué)基金委杰出青年科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1021/jacs.5c10175
（合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心、科研部）
