赤泥:红色的环境公害

摘要

从飞机、汽车上的铝合金材料到铝合金门窗,再到易拉罐和铝箔,铝在我们的日常生活中几乎无处不在。由于密度较低、耐腐蚀性能好,加之储量丰富,铝在许多领域都有着非常重要的应用。然而,当人们享受着铝带来的便利时,可能并没有意识到,铝的生产过程也带来了严重的环境危害,这就是本文要介绍的赤泥。

从飞机、汽车上的铝合金材料到铝合金门窗,再到易拉罐和铝箔,铝在我们的日常生活中几乎无处不在。由于密度较低、耐腐蚀性能好,加之储量丰富,铝在许多领域都有着非常重要的应用。然而,当人们享受着铝带来的便利时,可能并没有意识到,铝的生产过程也带来了严重的环境危害,这就是本文要介绍的赤泥。

什么是赤泥呢?简单来说,赤泥就是生产金属铝的一个重要环节——生产氧化铝——的过程中产生的废物。铝的化学性质很活泼,所以我们在自然界中很难寻觅到它的金属形式,而炼铝行业的任务自然就是设法将铝的各种化合物转化为单质铝。目前,金属铝基本上是通过电解氧化铝而来,因此生产氧化铝就成为生产铝至关重要的一步。大家如果有机会参观生产氧化铝的工厂,就会发现厂区里常常会有大小不一的人工湖,不过湖中可不是清澈的湖水,而是暗红色的泥浆。也有些工厂没有这样的人工湖,取而代之的是一座又一座红色的土堆。这些红色的泥浆或是粉末,就是让全世界炼铝行业头疼不已的环境危害——赤泥。

赤泥

那么赤泥是怎么来的呢?前面提到,要得到金属铝,我们必须先得到氧化铝。氧化铝在自然界的“家”叫做铝土矿。[1]但是铝土矿中并不是只有氧化铝,即便是高品位也即氧化铝含量高的铝土矿,矿石中的氧化铝大概也只占到总重量的60%左右,其余则是氧化铝的诸多“室友”:二氧化硅、三氧化二铁、二氧化钛等等。生产氧化铝的过程就是设法将这些“小伙伴们”从铝土矿中“请”出来,同时避免它们捣乱。

在实际生产中,铝土矿开采出来后首先经过粉碎和研磨,大块的矿石变成颗粒非常小的粉末。接下来,铝土矿粉末被加入到高浓度的氢氧化钠水溶液中,在高温高压下,铝土矿中的氧化铝会与氢氧化钠反应生成水溶性的铝酸钠,而其他成分则不能与碱反应,仍然以固体形式存在。经过过滤,我们就可以把氧化铝与铝土矿中的其他化合物分离开来。[2]接下来,我们让含有铝酸钠的碱溶液冷却。大家都知道,大部分物质在水中的溶解度会随温度降低而减小,铝酸钠也不例外。通过调整铝土矿和氢氧化钠的比例,我们可以使得高温时铝酸钠在碱溶液中近乎饱和。温度一旦降低,碱溶液中没法溶解那么多的铝酸钠,这时,我们再向溶液中加入少量氢氧化铝作为“晶种”;在它的“诱惑”下,溶液中的铝酸钠就会围绕氢氧化铝的晶体生长,于是大量的氢氧化铝从溶液中沉淀出来。这些氢氧化铝经过高温煅烧会重新变成氧化铝,再经过电解就得到金属铝。也有一小部分氧化铝会用于其他用途。这种从铝土矿中分离出氧化铝的过程由一百多年前的奥地利人卡尔·约瑟夫·贝尔发明,因此被称为拜尔法。今天,世界上大部分的氧化铝工厂都在使用拜尔法生产氧化铝。

图1 以铝土矿为原料生产金属铝的过程涉及的主要化学反应

图1 以铝土矿为原料生产金属铝的过程涉及的主要化学反应

通过前面的叙述我们可以看到,拜尔法至关重要的一步就是用碱溶液去处理氧化铝,从而将氧化铝和铝土矿的其他成分分开。不能被碱溶解的二氧化硅、三氧化二铁、二氧化钛等化合物对铝的生产毫无帮助,因此必须以过滤的形式从溶液中分离出来。过滤过程中,一些氢氧化钠溶液也跟随固体被分离出来,因此最终得到的废弃物通常是暗红或者砖红色的像泥浆一样的流体。这些废弃物之所以呈现红色,是因为其中主要成分是暗红色的三氧化二铁。因此,人们给这种废弃物起了一个非常形象的名字——赤泥。

图2 拜尔法生产氧化铝的基本流程

图2 拜尔法生产氧化铝的基本流程

赤泥从铝土矿中分离出来后,铝厂一般会把它排放到专门开挖出来的水池中,然后让其中的水分自然挥发,剩下固体粉末,这就是所谓湿法堆存。也有一些工厂会先设法将赤泥的水去除,然后将干燥粉末露天堆放,这样的方法称为干法堆存。也许有的朋友会说,不就是一点点赤泥么,能对环境造成多大的危害?可是我们只要简单算一笔帐,就会发现赤泥带来的环境问题是多么严重。

图3 采用湿法堆存的赤泥。[4]

图3 采用湿法堆存的赤泥。[4]

前面我们提到,铝土矿中氧化铝的含量最高只有60%左右,因此生产铝的过程中不可避免地会产生大量的赤泥。据统计,每生产一吨的氧化铝,就会随之产生1-2.5吨的赤泥。[3,4]这个重量还仅仅是其固体粉末的干重,如果算上赤泥分离过程中夹带出来的碱溶液,实际的重量要大大高于这个数字。近些年来,全球每年的铝产量超过了4000万吨,在这个产量的背后是约9000万吨左右的赤泥被排放出来,[3]而这个可怕的数字仅仅是一年的赤泥排放量。如果算上历年的积累,产生的赤泥总量更是高得吓人。仅仅我国累积堆存的赤泥就已经达到2亿吨,到2015年,这个数字将上升到3.5亿吨。[5]这意味着大量宝贵的土地不得不用来存放这些废弃物。而这些土地一旦存放了赤泥,就像被判了死刑一样,很难再用作耕地或建设用地。与此同时,赤泥中含有大量强腐蚀性的氢氧化钠,有时还会含有有毒的重金属甚至放射性元素,这些有害物质一旦渗入土壤或者河流,将造成很严重的污染。如果堆存赤泥的场所由于自然或者人为原因发生泄露,造成的危害将更加严重。2010年10月4日,位于匈牙利西部城市奥伊考(Ajka)的一家铝厂,存放赤泥的人工湖突然发生溃坝事故,高达100万立方米的赤泥外泄,影响到周围的多个村庄并最终流入多瑙河。这次事故导致10人死亡,100多人受伤,40平方公里的土地受到影响,造成了严重的环境灾难。

图4 采用干法堆存的赤泥。[4]

图4 采用干法堆存的赤泥。[4]

赤泥严重的环境问题让全世界的铝厂都头疼不已。要想从根本上解决这一问题,可行的办法只能是将赤泥的处理方式从简单的堆存变成综合利用。有的朋友可能会问,既然赤泥中含有大量的三氧化二铁,我们能否从中提炼出铁呢?当然可以,也确实有许多人进行了相关的研究。我们不仅可以用赤泥为原料生产铁,还可以从赤泥中提取中其他许多有价值的元素。但是实际操作起来,在生产成本上并没有太大的优势,而且生产过程中还会继续造成环境问题。因此人们宁可开采铁矿石从中冶炼铁,也不大愿意打赤泥的主意。

除了从赤泥中回收铁等金属元素,研究人员们还开发出其他利用赤泥的方法。例如,赤泥可以被用作生产砖瓦、水泥和陶瓷等建筑材料。赤泥的粉末颗粒非常小,很容易吸附其他物质,因此一些研究人员尝试利用赤泥吸附污水中的有害物质。还有人尝试将赤泥用作化学反应的催化剂。这些研究虽然取得了不错的进展,但是仍然存在很多的问题。许多利用赤泥的方法生产成本较高,得到的产品的性能也不完全令人满意,因此很难得到大规模的推广应用。另外,许多方法都只能利用到很少一部分赤泥,例如赤泥用于污水处理虽然效果不错,但是处理污水一般只需要很少量的赤泥,因此希望用这种方法消化掉每年产生的几千万吨赤泥无疑是不现实的。到目前为止,大量的赤泥仍然只能通过堆放的办法处理。

随着经济的发展、科技的进步和我们生活的需要,越来越多的铝将会被生产出来,这也意味着随之而来的赤泥会对环境产生越来越严重的影响。寻找合适的方法对赤泥进行再利用,已是刻不容缓。希望亲爱的朋友们也能发挥自己的聪明才智,为解决这个环境难题贡献一份力量。

参考文献和注释

[1] 实际上铝土矿中铝主要以Al(OH)3 、AlO(OH)等形式存在,但一般在书写拜尔法的化学反应时,习惯用氧化铝表示铝土矿中铝的化合物。

[2] 在这个过程中二氧化硅也可以溶于碱溶液,但随后与铝酸钠反应生成铝硅酸钠,并以沉淀的形式从溶液中析出。

[3] Shaobin Wang, H. M. Ang, M. O. Tade, “Novel applications of red mud as coagulant, adsorbent and catalyst for environmentally benign processes”, Chemoshpere, 2008, 72, 1621

[4] Sneha Samal, Ajoy K. Ray, Amitava Bandopadhyay, “Proposal for resources, utilization and processes of red mud in India — A review”, International Journal of Mineral Processing, 2013, 118, 43

[5] 《赤泥综合利用指导意见》http://www.china.com.cn/policy/txt/2010-11/26/content_21425777.htm

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