沈凌峰 王 麗 徐 芮 呂 斐

（中南大學(xué)資源加工與生物工程學(xué)院，湖南 長沙 410083）

鋁灰（又名鋁渣），主要由Al2O3和金屬鋁等物質(zhì)組成，是鋁生產(chǎn)（如電解鋁、制備含鋁合金、回收鋁資源）時產(chǎn)生的含鋁工業(yè)廢料［1］。鋁灰常分為一次鋁灰、二次鋁灰。一次鋁灰又名白灰，通常為電解制鋁工藝直接留下的殘渣或不添加鹽類煉鋁的殘渣，含鋁15%～70%，主要由鋁及其氧化物組成；二次鋁灰包括黑灰和鹽餅。黑灰是一次鋁灰進(jìn)行資源提取回收和加鹽煉鋁后產(chǎn)生的殘渣，主要由鋁、鋁氧化物和氮化物、熔融鹽等物質(zhì)組成，含鋁12%～18%；鹽餅是在生產(chǎn)過程中由廢灰產(chǎn)生的含少量鋁、氯化鈉和氟化物等的混合物［2-5］。

據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計［6］，2019 年世界鋁產(chǎn)量 6 365.7 萬 t，中國占一半以上，達(dá)到3 579.5萬t。研究表明，通常情況下利用鋁礦石直接生產(chǎn)1 000 t的金屬鋁會產(chǎn)生10～20 t的鋁灰，而二次鋁資源回收將產(chǎn)生20～50 t甚至更高的、成分更加復(fù)雜的鋁灰［7-8］。據(jù)此估計，我國2019年產(chǎn)生的鋁灰超100萬t，而鋁灰中含有的諸多重金屬（As、Pb、Cd、Cr等）和有害離子（F-、CN-），會污染水源、危害生物，因而我國已于2016年將鋁灰列入《國家危險廢棄物名錄》［2，8-9］。

在我國新的時代背景下，經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求已經(jīng)從高速發(fā)展逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦哔|(zhì)量可持續(xù)發(fā)展，這使得對鋁灰的回收處理、資源化處理、環(huán)境風(fēng)險評價以及管理政策等研究具有十分重要的現(xiàn)實意義。因此，本文以當(dāng)前國內(nèi)鋁灰處理工藝的研究與實踐進(jìn)展為主要依據(jù)，結(jié)合環(huán)境評價和地方企業(yè)管理政策介紹了鋁灰的主要回收方法、環(huán)境評價的依據(jù)、政府與企業(yè)的管理政策，以供后續(xù)研究參考。

1 鋁灰處理方法

鋁灰處理方法主要分為鋁灰回收處理、鋁灰無害化處理和鋁灰資源化利用3部分。其中鋁灰回收處理又分為鋁灰火法回收和鋁灰濕法回收，是當(dāng)前鋁灰處理的主要形式；鋁灰無害化處理則是借助浸出劑等手段，將鋁灰中有害的氟、氯及一些重金屬浸出，以期得到可以合格排放的浸出液或者污染物含量符合國家標(biāo)準(zhǔn)的固體廢棄物；鋁灰資源化利用則是根據(jù)鋁灰的性質(zhì)特點，依靠特殊工藝手段將之加工成可以使用的資源，如防火材料、污水絮凝劑等，與鋁灰回收處理不同的是，鋁灰資源化利用的主要目的是通過某些工藝手段除去鋁灰中難以利用的雜質(zhì)，進(jìn)而將鋁灰轉(zhuǎn)換成可利用的資源［10-16］。

1.1 鋁灰火法回收處理

鋁灰火法回收處理是在高溫氛圍下，借助鋁的熔點（600℃）和其他組分熔點的差異，將熔融鋁灰中的鋁與其他組分分離的回收處理方法。處理的對象通常是含鋁較多的一次鋁灰，處理結(jié)束后廢渣可以進(jìn)行濕法浸出等濕法處理，進(jìn)一步回收其中的Al2O3、AlN［16-17］。

鋁灰火法回收方法有很多，國內(nèi)常見的如炒灰法、回轉(zhuǎn)窯加熱法、壓榨冷卻回收法、等離子速熔法、Alurec法等，國外常見的有MRM法、Alcan法等［16］。這些方法都有自己的應(yīng)用場景：炒灰法適用于處理小規(guī)模的鋁灰；回轉(zhuǎn)窯加熱法和壓榨冷卻回收法則是利用一定規(guī)模的設(shè)備代替人力資源，但是回收率都偏低，需要配合浸出工藝進(jìn)一步提高綜合效益［17］；等離子速溶是新興處理方法，生產(chǎn)效率和鋁資源回收率都非常高，但是由于是新工藝，其工業(yè)應(yīng)用尚待成熟；Alurec法則是近年國內(nèi)引進(jìn)的工業(yè)鋁灰火法回收方法，處理效率較高，但是初始成本也較高，在大型企業(yè)應(yīng)用更常見［18-19］。上述鋁灰火法回收方法按添加助熔劑與否進(jìn)行分類，可將其分為兩大類：加鹽回收法和無鹽回收法。

1.1.1 加鹽回收法

諸如炒灰法、回轉(zhuǎn)窯加熱法、壓榨冷卻法等傳統(tǒng)方法，都是在高溫氛圍下使鋁灰中金屬鋁從固態(tài)熔為液態(tài)，并且借助一些鹽類添加劑，腐蝕破壞金屬鋁表面氧化鋁薄膜，使得鋁液與其他固相有明顯界限，從而實現(xiàn)有效回收。炒灰法相對簡單，但是需要人力和除塵設(shè)施，占地面積大，回收率較低；回轉(zhuǎn)窯加熱法處理效率相對較高，但是工業(yè)中由于密封較差，熔融金屬鋁易嚴(yán)重氧化，回收率受影響較大；壓榨冷卻法處理量一般，受環(huán)境影響小，回收率也比較低［9，17］?？梢钥闯龈黝惣欲}回收法的區(qū)別主要集中在設(shè)備和后續(xù)處理上，并且作業(yè)效率和回收率相對較低。

加鹽回收法的影響因素除了設(shè)備外，還有溫度和鹽類藥劑的種類，工業(yè)上一般認(rèn)為鋁的熔點為660℃，但是在實際火法回收中一般保持700～780℃［16］，這可能會使低熔點雜質(zhì)與金屬鋁一同熔入鋁液中。MAJIDI等［20］在700～760℃對鋁灰進(jìn)行熔融，得出理想溫度為740℃，并且在后續(xù)試驗中指出溫度對回收的鋁的性質(zhì)有較大影響。在加鹽回收法中，加入的鹽類添加劑通常起到防止高溫鋁液氧化、促進(jìn)鋁液與其他相分層等作用［21］。合理使用添加劑組合（如使用AlF3-NaF-BaCl2和NaCl-KCl-KF等復(fù)鹽）可以有效提升鋁的回收率［22-23］。TENORIO等［24］的研究表明，鹽類添加劑組合在高溫氛圍下處于熔融態(tài)，會腐蝕氧化鋁形成的“捕收網(wǎng)”，進(jìn)而釋放其中的鋁液滴；同時又能覆蓋在鋁液滴上，防止其被氧化。恒書星等［25］以碳酸鈣為添加鹽、二次鋁灰為處理對象，研究了煅燒時間和溫度對碳酸鈣性能的影響，以及溫度對二次鋁灰混合物料煅燒產(chǎn)物物相組成的影響，得到適宜的提鋁條件為：1 000℃、碳酸鈣與二次鋁灰配比1∶1。目前，學(xué)者的研究主要集中在加鹽回收法的流程優(yōu)化及添加劑的使用方面。此外，研究也從試驗現(xiàn)象和結(jié)果分析，逐步深入到了動力學(xué)研究，為加鹽回收法工藝改進(jìn)及鹽類添加劑制備的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。需要注意的是，鹽類添加劑在高溫“分解”氧化鋁膜的同時，自身性質(zhì)也會有一定的變化，如釋放氯氣等有害氣體，未來需要重點關(guān)注“環(huán)境友好型”鹽類添加劑的研發(fā)。

1.1.2 無鹽回收法

由于加鹽回收法加入的鹽類添加劑性質(zhì)不一，并且熔融后會與金屬鋁緊密結(jié)合在一起，需要后續(xù)處理以避免藥劑污染，故國內(nèi)外開發(fā)了諸多無鹽火法回收方法。目前，國內(nèi)使用的鋁灰無鹽火法回收處理的方法以國外引入的為主，如Alurec工藝、Alcan工藝、Droscar工藝、Ecocent工藝等。這些工藝方法不需要使用鹽類藥劑，污染較小，非常契合當(dāng)前的工業(yè)發(fā)展要求，以下將重點介紹前3種工藝的特點［18-19，26-27］：

（1）Alurec工藝。該工藝通過耗氧燃料為旋轉(zhuǎn)爐提供持續(xù)的高溫氛圍，鋁灰中的金屬鋁會在高溫下熔融，隨后沉到底部，而大部分廢渣由于熔點較高仍然保持固態(tài)，由此分離金屬鋁和殘渣。該方法在國內(nèi)大型企業(yè)得到較廣泛的應(yīng)用。

（2）Alcan工藝。該工藝通過等離子體焰炬在爐體外給旋轉(zhuǎn)爐加熱，從而使得進(jìn)入爐內(nèi)的空氣溫度保持在700～750℃，借助爐體旋轉(zhuǎn)帶來的沖擊作用和離心作用，使鋁灰表面氧化層破碎，進(jìn)而實現(xiàn)熔融鋁液與固態(tài)廢渣的分離。該方法加熱速度快，恒溫時溫度波動較小，可以保證鋁液中成分的穩(wěn)定，在加拿大相關(guān)企業(yè)應(yīng)用廣泛。

（3）Droscar工藝。該工藝通過向石墨電極供應(yīng)直流電以形成直流電弧，借助電弧釋放的輻射能加熱旋轉(zhuǎn)爐。通入保護(hù)氣氬氣后保持溫度700～750℃，待鋁灰中金屬鋁充分熔化后，借助機(jī)械攪拌設(shè)備分離殘渣和鋁液。該方法在熔融金屬鋁的過程中幾乎不引入額外的氧氣，可有效防止鋁液表面氧化鋁的形成，適合處理氧化鋁含量較低的一次鋁灰，在加拿大應(yīng)用廣泛。后續(xù)研究表明，該方法相對其他無鹽回收法回收率較低，僅為70%左右，并且保護(hù)氣需要額外的儲存空間，提高了鋁灰回收成本。

上述幾種無鹽火法回收方法大多利用旋轉(zhuǎn)爐回轉(zhuǎn)運動提供的離心力破開氧化鋁薄膜，實現(xiàn)鋁液-廢渣混合體系的初步分離，隨后借助機(jī)械設(shè)備卸料進(jìn)一步分離，鋁金屬回收率均較高，可達(dá)75%以上。各方法的區(qū)別主要為加熱方式、速度及爐內(nèi)氣體氛圍［19］。無鹽火法回收法幾乎不額外增加污染物，對改善企業(yè)污染排放指標(biāo)具有重要意義。

加鹽回收法可以大規(guī)模、低成本地回收一次鋁灰中的金屬鋁和部分鋁化合物，具有規(guī)模和成本可控的特點，比較適合在中小制鋁企業(yè)和鋁灰處理企業(yè)應(yīng)用。但是傳統(tǒng)的加鹽回收方法環(huán)境污染較大，回收率較低，藥劑成本高，在可見的未來會被污染小、回收率高的無鹽回收法逐步替代，并且無鹽回收法在我國大型煉鋁廠已有一定的應(yīng)用［16］。不過由于無鹽回收方法存在高單位能耗、高技術(shù)要求的缺點，阻礙了其在中小企業(yè)的應(yīng)用。這些問題可能會成為無鹽回收方法應(yīng)用的制約因素，因此，未來還需進(jìn)一步發(fā)展更加適合我國國情的無鹽火法回收方法。

1.2 鋁灰濕法回收處理

鋁灰濕法回收處理一般是指將鋁灰放入浸出液中，浸出金屬鋁及其化合物，浸出渣則作為廢棄尾料處理。由于鋁是兩性金屬，既可以與酸發(fā)生反應(yīng)、也可以與堿發(fā)生反應(yīng)，因此，鋁灰濕法回收常見的方法分為酸浸和堿浸［28］。如果待處理的鋁灰含硅量較高，酸浸效果往往比堿浸好很多；如果待處理的鋁灰含鐵較多，那么堿浸效果則更佳［28-29］。

1.2.1 酸 浸

酸浸即利用常見的幾類酸來處理鋁灰，再從浸出液中富集鋁。酸浸過程中，鋁及其化合物與酸發(fā)生反應(yīng)，生成對應(yīng)的可溶性鋁鹽。李登奇等［30］研究發(fā)現(xiàn)，鹽酸濃度、浸出溫度、浸出時間、液固體積質(zhì)量比都會不同程度地影響鋁灰中鋁元素的浸出效果，在鹽酸濃度5 mol/L、浸出溫度75℃、浸出時間120 min、液固體積質(zhì)量比20∶1（單位為L/g）的條件下，鋁浸出率可達(dá)78%；并且根據(jù)反應(yīng)動力學(xué)原理，得出了鹽酸與鋁灰的反應(yīng)受擴(kuò)散控制的結(jié)論。YANG等［31］對鋁灰酸浸反應(yīng)動力學(xué)的研究表明，在酸浸過程中，反應(yīng)較為困難的主要是Al2O3、AlN等鋁化合物：前者往往會在鋁灰顆粒外部形成，而鋁灰的表面積大，在酸浸過程中需要處理大量表面的氧化鋁薄膜，不僅會造成大量酸浪費，增加成本，而且也會使得處理效率大大降低；后者在鋁灰中的反應(yīng)活化能高達(dá)40.93 kJ/mol，因而反應(yīng)啟動能較大、反應(yīng)速率較慢，使得浸出速率降低。實驗室試驗通常采用鹽酸為浸出劑，涉及到的反應(yīng)方程式有［30］

鋁灰的酸浸一般不需要維持高壓環(huán)境，并且相比于堿浸，酸液具有價格較低、不溶硅酸鹽的優(yōu)勢，因此適合處理高硅鋁灰。但是由于酸液的腐蝕性較強(qiáng)，需要耐酸設(shè)備，并且由于酸液會溶解其中的雜質(zhì)，一定程度增大了浸出液的處理難度。

1.2.2 堿 浸

堿浸主要利用氫氧化鈉提供的堿性環(huán)境和鋁的兩性，反應(yīng)生成溶于浸出液的AlO2-，進(jìn)而實現(xiàn)鋁灰中鋁的有效回收。堿浸的基本流程與酸浸相似，但是鋁與堿浸出劑反應(yīng)相對復(fù)雜，在堿浸的過程中，由于浸出劑種類和用量的不同而生成AlO2-、Al2O3、A（lOH）3等多種化合物。EI-KATATNY等［32］的研究表明，反應(yīng)溫度、浸出時間、浸出劑濃度、液固比等因素對浸出鋁灰的影響較為顯著，在浸出溫度180℃、浸出時間100 min、氫氧化鈉用量200 g/L、液固體積質(zhì)量比5∶1（單位為L/g）的條件下，鋁浸出率大于75%，浸出效果良好。部分堿性浸出反應(yīng)的方程式有［33］

堿浸回收處理法常用于處理鐵含量較高的鋁灰，得到的浸出液純度相對較高，但是堿用量較大，且堿液價格相對較高；生成的氨氣會使得生產(chǎn)環(huán)境較差，并且生產(chǎn)中設(shè)備需要加壓，危險性較高［34］。

濕法浸出可以有效回收二次鋁灰中較難回收的鋁，減少資源浪費，提高資源利用率。但是不論是酸浸還是堿浸，都需要進(jìn)一步處理浸出液和浸出渣，以減少后續(xù)污染。由于其處理流程較為復(fù)雜，對設(shè)備耐酸耐堿和配套工藝的要求相對較高，適合有一定規(guī)模的二次鋁灰處理廠使用。

1.3 鋁灰無害化處理

就當(dāng)前鋁灰常見的回收處理方法來看，不論是火法還是濕法，不僅處理過程會或多或少產(chǎn)生一些有毒有害物質(zhì)，而且回收后的殘渣中還含有氟化物、氯化物等對環(huán)境危害極大的物質(zhì)，難以契合綠色發(fā)展的理念［35］。

有效處理鋁灰中的有害物質(zhì)，特別是二次鋁灰中包括氟化物、氯化物等在內(nèi)的有害成分是鋁灰無害化處理的核心理念，也是鋁灰處理工藝契合當(dāng)下綠色發(fā)展理念的關(guān)鍵。鋁灰無害化處理是指，通過化學(xué)分離的方法提取其中的有害元素，從而達(dá)到分離鋁灰中有害元素和集中處理鋁灰的目的。鮑善詞等［36］的研究表明，影響氟氯浸出效果的因素與濕法處理鋁灰的影響因素相似，單因素試驗表明，在浸出時間8 h、浸出溫度60℃、浸出液pH=4、液固質(zhì)量比為6的條件下可以得到較好浸出效果，氟、氯元素的浸出率分別為87.38%、99.02%，濾渣中氟、氯元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.122%和0.038%，達(dá)到鋁土礦中雜質(zhì)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.001%～0.200%的排放要求。

張永卓等［37］通過工業(yè)鋁灰中高含量的氟元素，有效降低了石灰的熔點，進(jìn)而改善了鋼包渣的流動性，并且對轉(zhuǎn)爐正常冶煉工藝未造成影響，可以作為化渣劑使用；有害氟元素則被固定于CaO·CaF2·2SiO2這一無害固體中。具體反應(yīng)方程式為

鋁灰無害化處理一方面采取先浸出、后蒸發(fā)的方法，在對先前浸出過程的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，可以有效去除二次鋁灰中的氟、氯等元素，減少二次鋁灰對環(huán)境的污染；另一方面采用有害元素固定的方法，使之轉(zhuǎn)換為固體無毒物質(zhì)，減少鋁灰中有害元素流動帶來的污染擴(kuò)散。由于同時經(jīng)過浸出、蒸發(fā)、固體化等流程，因而不需要分別處理氟、氯等元素，大大簡化了處理氟、氯的流程，并且對浸出液進(jìn)行除雜、分離、二次結(jié)晶等處理后，得到的氟化鈉、氯化鈉等經(jīng)過進(jìn)一步分離提純，可以再次利用，浸出渣經(jīng)過處理可以成為環(huán)保建材，浸出過程產(chǎn)生的氨氣也可以通過吸收成為化工原料［35］。相比于鋁灰回收處理工藝，鋁灰無害化處理主要通過包括浸出在內(nèi)的化學(xué)分離方法，回收或去除鋁灰中的氟、氯等有害元素，更加注重廢棄資源無害排放；而鋁灰回收處理則更加側(cè)重回收廢棄資源的有價成分。相信隨著研究的深入，二者能夠更好地結(jié)合在一起，在減少有害元素排放的同時，能夠更大程度地回收鋁灰中的鋁資源，以此推動鋁灰無害化回收的工業(yè)應(yīng)用。

1.4 鋁灰資源化利用

鋁灰作為冶煉制鋁、電解制鋁等工業(yè)制鋁的廢棄產(chǎn)物，其成分比較復(fù)雜，常含有Mg、Fe、Ca等金屬元素。一方面，這些金屬元素的存在阻礙了鋁灰火法、濕法的高效回收，另一方面這些金屬元素與氧化鋁混合在一起具有耐高溫、高硬度等諸多性質(zhì)，也為鋁灰資源化利用創(chuàng)造了條件。簡單來說，鋁灰資源化利用就是通過包括混合加料、高溫加壓、添加調(diào)節(jié)劑等各種加工工藝，在不直接提取鋁灰中金屬元素和非金屬元素的前提下，利用鋁灰復(fù)雜的成分帶來宏觀上性質(zhì)復(fù)雜的特點，將其加工成具有某些特色（如耐高溫、高硬度等）的材料。目前來說，鋁灰資源化利用方向的研究主要集中在制備耐火材料、制備陶瓷建筑材料、制備絮凝藥劑等方面。

1.4.1 制備耐火材料

鋁灰中往往含有大量氧化鋁、氧化鎂等成分，并且結(jié)合緊密、熔點較高，是生產(chǎn)耐火材料的理想原料。李家鏡等［38］以鋁灰和粉煤灰為原料，通過碳熱鋁熱、復(fù)合還原氮化的方法在合成溫度1 450℃、鋁硅質(zhì)量比1.5、粉煤灰占總原料的質(zhì)量比80%的條件下，制備出耐高溫的Sialon材料（SiAl4O2N4），該方法在提升Sialon材料耐高溫特性的同時，還降低了其制備難度，簡化了制作工藝，拓寬了Sialon材料的應(yīng)用范圍。張勇等［39］以二次鋁灰為原料，氧化鎂、氧化鈣為調(diào)配劑，在1 500℃下制備出鈣鋁黃長石/鋁鎂尖晶石復(fù)相材料，抗壓強(qiáng)度達(dá)到40.18 MPa，達(dá)到《粉煤灰磚》（JC 239—91）的10級強(qiáng)度。此外，陳海?等［40］以鋁灰為原料，通過預(yù)處理和電熔工藝，得到了制造工藝簡單、產(chǎn)品質(zhì)量良好、耐火效果好的莫來石。當(dāng)前使用鋁灰制備耐火材料的工藝正得到更廣范圍的認(rèn)可和應(yīng)用，可以預(yù)見，未來鋁灰在耐火材料工業(yè)的應(yīng)用會越來越多。

1.4.2 制備陶瓷建筑材料

鋁灰中的氧化鋁、氧化鎂等化合物具有耐高溫、堅硬、抗壓等特性，可作為制備陶瓷建筑材料的原料之一。由于鋁灰成分復(fù)雜，既有氧化鋁、氧化鎂、氧化鈣等金屬氧化物，又有氮化鋁和鹽類等雜質(zhì)，直接用于陶瓷建筑材料的制備會嚴(yán)重影響材料性能，因此用鋁灰制備陶瓷建筑材料往往需要一系列的處理工藝，目前處理工藝以混合原料、加入添加劑、預(yù)處理為主［41］。

徐曉虹等［41］以鋁灰、黏土、石英等為清水磚的原料，通過調(diào)整含鈣鎂鋰的復(fù)合添加劑用量和其元素比率，得到了磚體氣孔率30%～50%、抗壓強(qiáng)度大于60 MPa的清水磚。張優(yōu)［42］以鋁灰、鈉長石、鉀長石、石英、滑石、高嶺土等為原料，在調(diào)整各原料和添加劑比例后，制得氣孔率88%、氣孔球形及孔徑波動小、吸水率0.8%、抗壓強(qiáng)度2.5 MPa、導(dǎo)熱系數(shù)0.09 W/（m·K）的發(fā)泡建筑陶瓷。采用該方法得到的發(fā)泡建筑陶瓷符合《建筑用發(fā)泡陶瓷保溫板》（JG/T 511—2017）要求。由于鋁灰價格相對低廉，而其他原料價格也相對較低，且制備而成陶瓷建筑材料性能較好，具有一定的市場競爭力，在陶瓷建筑材料領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

以上研究制備的陶瓷建筑材料，鋁灰作為其中的一種原料添加，使用量不大。為大量利用鋁灰，學(xué)者們開展了以鋁灰為主要原料制備陶瓷建筑材料的研究，為減少鋁灰中雜質(zhì)對陶瓷材料的影響，需要在利用前通過化學(xué)藥劑對加工過的鋁灰進(jìn)行處理。段理杰［43］以鋁灰為原料，采用有機(jī)泡沫（聚氨酯泡沫）浸漬工藝，經(jīng)過表面改性處理、浸涂原料等工藝流程，通過調(diào)整黏結(jié)劑、流變劑、分散劑、表面活性劑等添加劑的用量和漿料固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)等，最終在用濃度20%的NaOH溶液浸泡6 h、硅溶膠濃度3%、檸檬酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%、流變劑CMC濃度2%，漿料固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%的條件下，得到了性能優(yōu)良的多孔陶瓷素坯。由于以鋁灰為主要原料制成的陶瓷產(chǎn)品往往易受鋁灰中諸多化合物的影響，產(chǎn)品性能不均衡、質(zhì)量參差不齊，因而難以投入生產(chǎn)。而對鋁灰進(jìn)行改性處理后，可以一定程度上降低鋁灰中化合物對鋁灰制品的影響，提高陶瓷生產(chǎn)的穩(wěn)定性和陶瓷性能，相信未來通過更加深入的研究，可以推動以鋁灰為主要原料制陶技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

鋁灰不僅可以通過添加原料、化工改性等方式使其成為合格的陶瓷原材料，還可以借助水洗等預(yù)處理方式減少鋁灰中對后續(xù)加工有不利影響的成分，從而制備新興材料。焦志偉等［44］對鋁灰水洗預(yù)處理產(chǎn)品的研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過水洗預(yù)處理，產(chǎn)品NaCl和KCl含量大大降低，在后續(xù)燒制過程中爐體腐蝕情況明顯改善，該研究結(jié)果進(jìn)一步說明2種鹽類物質(zhì)對爐體具有較大的腐蝕作用；隨后以預(yù)處理后的鋁灰為主要原料制備微晶玻璃，其結(jié)果表明，制備出的微晶玻璃主要晶相為鈣長石，副晶相為橄欖石，當(dāng)鋁灰含量達(dá)到54.4%，還有部分尖晶石的晶相，此時形成的微晶玻璃硬度在8.0左右，密度2.8 g/cm3，具有較好的耐堿腐蝕能力，并且根據(jù)系列試驗發(fā)現(xiàn)，隨著鋁灰添加量的增大，微晶玻璃顯示出硬度提高、致密度上升的特點，同時出現(xiàn)了耐酸性下降、耐堿性增大現(xiàn)象。

鋁灰制備陶瓷材料是鋁灰資源化利用的重要研究方向，并且已經(jīng)從研究以鋁灰為主要原料制備傳統(tǒng)陶瓷材料，發(fā)展到以鋁灰為原料制備高附加值新興材料，這意味著通過鋁灰制備的陶瓷材料、裝飾材料會更具有市場競爭力。

1.4.3 制備絮凝劑

水體污染處理在我國一直以來都是重大課題。在工廠和自來水廠處理排放的化工廢水和生活用水時，首先要進(jìn)行沉降過濾。廢水中微細(xì)懸浮顆粒沉降與否，往往取決于沉降絮凝劑能否有效地將小顆粒聚集成團(tuán)［45］。而鋁灰中含有大量鋁、硅元素，可以在水中形成帶電膠團(tuán)，從而在靜電力的作用下聚集水中懸浮顆粒，因此可以考慮利用鋁灰低成本制備高效絮凝劑。杜凱峰等［46］利用鋁灰渣和廢鹽酸，采用酸溶法在反應(yīng)溫度85℃、反應(yīng)時間3.5 h、熟化溫度80℃、熟化時間42 h的條件下，制備出氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)8.15%、鹽基度35.6%的PAC，其成本（200～300元/t）遠(yuǎn)低于市場聚合氯化鋁價格（800～900元/t），有較為廣闊的應(yīng)用市場［47］。劉曉紅等［48］以鋁灰為原料，通過試驗確定了PAFSC（聚硅酸鋁鐵）的最佳制備工藝條件，通過浸出提取等工藝，制備出無定型共聚物狀態(tài)下的PAFSC絮凝劑，在實例中效果優(yōu)于PAC（聚合氯化鋁）。

鋁灰資源化利用既是鋁灰直接利用的重要方法，也是鋁灰處理技術(shù)的重要研究方向，其中耐火材料、陶瓷材料和絮凝劑等材料制備方法的發(fā)展一方面為工廠提供了一種低成本、高競爭力的產(chǎn)品，另一方面，推動了廢棄資源的再利用，從而為提高制鋁廠經(jīng)濟(jì)效益提供了一種有效的方法。雖然制備的產(chǎn)品特性各異，但是均具有污染少、獲取易和成本低的特點。鋁灰資源化過程中添加的藥劑對環(huán)境影響較小，在我國產(chǎn)鋁量居高不下的背景下，以鋁灰為主要原材料或原材料之一對降本增效有重大幫助；加之全國各地都有一定數(shù)量的鋁廠分布，因此鋁灰資源化利用的前景廣闊。

2 環(huán)境評價

近10余年，我國鋁產(chǎn)量快速增長，從2008年的1 358.5萬t增長到2019年的3 579.5萬t，年均增產(chǎn)10%以上，預(yù)計2020年較2019年至少增產(chǎn)5%［6］。由于鋁灰產(chǎn)量與鋁產(chǎn)量是正相關(guān)關(guān)系。因此，我國不僅是產(chǎn)鋁大國，也是鋁灰生產(chǎn)大國。

我國龐大的鋁工業(yè)體系產(chǎn)生大量、復(fù)雜的鋁灰，其中常含有Cd、Cr和F、Cl等有害元素，由于其中大部分有害物質(zhì)具有高度反應(yīng)活性和一定的毒腐蝕性，因此對環(huán)境的危害十分嚴(yán)重。根據(jù)我國2020修訂的《國家危險廢棄物名錄》，鋁火法冶煉相關(guān)危險廢物的等級從原先T（毒性）改為R，T（反應(yīng)性，毒性），并且重新明確了二次鋁灰渣具有反應(yīng)性的危險特性［49］。這無疑更加明確說明了鋁灰對環(huán)境危害性在于其中有害元素的反應(yīng)活性和化合物毒性，對鋁灰堆積產(chǎn)生的環(huán)境影響進(jìn)行符合標(biāo)準(zhǔn)的評價已經(jīng)迫在眉睫。我國目前實行的環(huán)境評價可概括為3個原則、立體范圍、兩道流程。3個原則分別是早期介入、過程互動，統(tǒng)籌銜接、分類指導(dǎo)和客觀評價、結(jié)論科學(xué)；立體范圍則是指按照時間維度和空間尺度全面地界定評價范圍、選擇評價區(qū)域；兩道流程包括工作流程和技術(shù)流程。

就鋁灰堆積造成的污染而言，環(huán)境評價的最終目標(biāo)是改善鋁灰堆積帶來的負(fù)面影響，并對已污染地區(qū)進(jìn)行有效的污染防治；主要評價方法為從時間維度和空間維度，評價一定時間段、一定空間范圍內(nèi)，水、土壤等要素質(zhì)量現(xiàn)狀和演變趨勢，明確主要和特征污染因子含量，也即鋁灰中以氟、氯為代表的有毒有害元素和鎘為代表的重金屬元素含量，并分析其對水、土壤等要素的影響，明確需要解決的主要環(huán)境問題；還應(yīng)對鋁灰的環(huán)境影響進(jìn)行預(yù)測評價。這些需要環(huán)境評價人員從《土壤環(huán)境（試行）評價標(biāo)準(zhǔn)》（HJ 964—2018）和《地下水環(huán)境評價標(biāo)準(zhǔn)》（HJ 610—2016）出發(fā)，結(jié)合趨勢分析、負(fù)荷分析、數(shù)值模擬、風(fēng)險概率統(tǒng)計等方法對水環(huán)境、土壤環(huán)境、生態(tài)環(huán)境、人群健康風(fēng)險等方面進(jìn)行預(yù)測、評價、分析，并且結(jié)合當(dāng)前區(qū)域環(huán)境承載力，評估剩余污染物允許排放量，最終給出包含生態(tài)環(huán)境演變趨勢、環(huán)境要素承載能力和減緩鋁灰堆積對環(huán)境影響的生態(tài)保護(hù)方案等在內(nèi)的評價結(jié)論。

目前的研究表明，鋁灰堆積會帶來3個主要危害：污染地下水、污染大氣和污染土壤［50］。朱小凡等［51］采用電極法測量鋁灰中的可溶性氟離子，在pH值5～6、溫度25℃下，對水浸鋁灰和不同溫度焙燒后的鋁灰離子強(qiáng)度進(jìn)行了測量，發(fā)現(xiàn)不經(jīng)過焙燒的100 g鋁灰在1 L水中可溶性氟離子含量為446 mg/L，可見鋁灰中的有害元素含量嚴(yán)重超標(biāo)。而為了給予鋁灰對環(huán)境影響的合理評價標(biāo)準(zhǔn)和尋找可行的處理辦法，李瑞仙等［52］根據(jù)環(huán)境評價標(biāo)準(zhǔn)，對電解鋁廠鋁灰堆場及其周圍附近土壤進(jìn)行立體抽樣調(diào)查，其結(jié)果借助土壤環(huán)境影響指標(biāo)，結(jié)果表明電解鋁廠附近灰渣重金屬含量較低，但是在所有樣品中，一半以上的樣品CN-含量超標(biāo)；而測定F-含量時，所有樣品全部超標(biāo)，最高超標(biāo)138倍。其進(jìn)一步研究調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該堆場地勢較高、年降雨量小，并且地下水位較低，鋁灰只對地表土壤造成嚴(yán)重污染，尚未對地下水造成明顯污染，因此對污染區(qū)域提出了更換灰渣處理技術(shù)、禁止鋁灰隨意堆放、隔離鋁灰堆場與土壤接觸等有實際意義的處理措施。

楊成等［53］則以貴州凱里某電解鋁廠周邊為研究對象，通過樣品采集—分析測定—因素分析的工作和技術(shù)流程，發(fā)現(xiàn)鋁廠廢渣、廢液的排放使其周邊作物氟含量高低不等，且均超過國家標(biāo)準(zhǔn)（1.0～1.5 mg/kg），樣品污染指數(shù)平均為34.05，地區(qū)污染屬于嚴(yán)重污染，并且地區(qū)污染程度與鋁廠距離有關(guān)，距離越近污染越嚴(yán)重。李玉梅等［54］通過對包頭某鋁廠周邊不同距離、不同深度的土壤檢測，對比先前時間土壤的數(shù)據(jù)，利用污染因子溯源方法，結(jié)合地累計指數(shù)、人健康風(fēng)險評估法、暴露評估計算和毒性評估等評價辦法，對檢測土壤進(jìn)行了立體范圍、兩道流程的系統(tǒng)性評定，結(jié)果表明，檢測的6種重金屬（Zn、Pb、Cd、Cu、Ni、Cr）均不同程度超標(biāo)，其中Cd存在致癌風(fēng)險，Ni的致癌風(fēng)險指數(shù)已經(jīng)超過預(yù)警值。該研究充分表明，鋁廠冶煉和電解制鋁的同時，產(chǎn)生的鋁灰和廢液排放會對土壤造成不同程度的污染，亟需各個鋁廠進(jìn)行技術(shù)上的突破，以緩解鋁灰和廢液對環(huán)境的壓力。

我國生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的土壤環(huán)境2019年報告［55］指出，我國農(nóng)業(yè)用地土壤總體穩(wěn)定，污染物主要是以鎘為代表的重金屬元素。從環(huán)境的角度來看，鋁灰是制鋁廠產(chǎn)生的量大、危害性高、危險性大的廢棄物；從學(xué)者們的報告中也可以看出，鋁灰中對環(huán)境造成危害的主要為流動性較高的F-、CN-、Cl-以及Cr等元素，僅是堆積就會對土壤產(chǎn)生很多難以逆轉(zhuǎn)的損害。而二次鋁灰的廢液中CN-超標(biāo)，不僅會給人們的健康帶來很大的隱患，未達(dá)標(biāo)準(zhǔn)的排放甚至有可能污染地表和地下水源。張濤等［56］在中性條件下對幾種強(qiáng)氧化劑（（Ca（ClO）2、H2O2、ClO2）分別進(jìn)行條件試驗，發(fā)現(xiàn)在ClO2濃度為0.25%、反應(yīng)時間為30 min和常溫條件下可以將CN-氧化成低毒或無毒物質(zhì)，可有效降低土壤中氰化物含量至土地環(huán)境質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)B級限值以內(nèi)，同時不會生成新的污染物；并且考慮到二氧化氯消毒劑價格較低，在經(jīng)過進(jìn)一步研究探明該氧化劑與土壤中其他還原性物質(zhì)的反應(yīng)機(jī)理后，便可以作為低成本處理土壤中CN-的重要方法。但是就目前來看，最好的解決方法還是更新工廠鋁灰處理技術(shù)，加快鋁灰無害化、資源化等處理的研究，從源頭上治理污染，如此才能有效應(yīng)對由鋁灰填埋、堆積造成的生態(tài)威脅和廢液排放造成的土壤污染。

3 鋁灰管理政策

鋁灰作為進(jìn)入我國《國家危險廢棄物名錄》的固體廢棄物，具有產(chǎn)量大、危害高、危險性大的特點，因此，必須依照國家相關(guān)規(guī)定對鋁灰進(jìn)行合理處理與科學(xué)管理才能有效降低鋁灰對環(huán)境的威脅。

3.1 國家法律法規(guī)

20世紀(jì)末，我國對于工業(yè)固體廢棄物處理便有針對性的法律法規(guī)。1995年頒布、2005年和2013年分別修訂的《中華人民共和國固體廢物污染環(huán)境防治法》（下簡稱《固體法》）是當(dāng)下地方部門和企業(yè)管理處理工業(yè)固體廢棄物的基礎(chǔ)法律。作為處理固體廢棄物的專門性法律，《固體法》確立了固體處理中“減量化、資源化和無害化”的原則，并且對于包括鋁灰在內(nèi)的工業(yè)固體廢棄物的貯存、運輸、再利用、處置等過程的管理提出了基本的法律要求，并確立了危險廢物管理名錄等諸多行之有效的管理制度，鋁廠處理鋁灰等固體廢棄物方案為類似有毒有害固廢管理提供了法律依據(jù)［57］。

3.2 政府標(biāo)準(zhǔn)政策

在有了相應(yīng)的法律的基礎(chǔ)上，我國有關(guān)部門隨即提出了關(guān)于危險廢物管理的行政法規(guī)和部門規(guī)章十余項、危險廢物管理相關(guān)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)20余項，其中以“GB”或“GB/T”開頭的標(biāo)準(zhǔn)就有14項，可見相關(guān)部門對于我國固體廢棄物管理的重視程度［58］。

在上述30余項政策和環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)中，現(xiàn)行的鋁及鋁合金廢料（GB/T 13586—2006）標(biāo)準(zhǔn)、《危險廢物污染防治技術(shù)政策》（環(huán)法［2001］199號）等多個規(guī)定性文件對包括鋁灰在內(nèi)的工業(yè)固體廢棄物從產(chǎn)生到收集、運輸、處理等各個細(xì)節(jié)過程都進(jìn)行了明確的規(guī)定［57，59］。此外，在國務(wù)院頒布的《國務(wù)院關(guān)于做好建設(shè)節(jié)約型社會近期重點工作的通知》（國發(fā)［2005］21號）中指出要以冶金、化工等領(lǐng)域的廢渣為資源綜合利用的重點，加強(qiáng)資源二次回收、二次提取、二次利用的能力，推動工業(yè)資源綜合化利用，工業(yè)廢物無害化處理。

相關(guān)部門通過相應(yīng)的規(guī)定，規(guī)范了企業(yè)處理工業(yè)固體廢棄物的思路、標(biāo)準(zhǔn)和方法，為各大公司提供了諸多行之有效的處理辦法和管理要求，也為企業(yè)關(guān)于固體廢棄物政策的制定指明了方向。

3.3 企業(yè)管理政策

國家層面制定的法律、政府部門制定的法規(guī)為各煉鋁企業(yè)制定處理鋁灰等固體廢棄物管理辦法奠定了基礎(chǔ)。經(jīng)過多年的發(fā)展，對于以鋁灰為主要固體廢棄物的鋁廠，法律法規(guī)相對完善，因此，當(dāng)下大多數(shù)企業(yè)制定了兼具國家標(biāo)準(zhǔn)、地方法規(guī)和自身特色的管理政策。

中國鋁業(yè)貴州分公司實施了“強(qiáng)化環(huán)境管理，實行可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略”，改造了部分高污染和處理污染的設(shè)備，優(yōu)化了現(xiàn)有工藝流程，完善了處理廢水廢棄物的方法，完成了廢氣設(shè)施的建造，并且在2001年完成了污水排放量小于104m3/a的標(biāo)準(zhǔn)，有效地減少了該鋁廠鋁灰和廢液隨自然循環(huán)導(dǎo)致污染范圍擴(kuò)大的現(xiàn)象［60］。熊興聯(lián)［61］依據(jù)2004年頒布的《建設(shè)項目環(huán)境風(fēng)險評價技術(shù)導(dǎo)則》（HJ/T 169—2004）等指導(dǎo)性的準(zhǔn)則，通過分析電解鋁廠環(huán)境問題，認(rèn)為電解鋁廠的環(huán)境風(fēng)險在于廢液、廢渣的處理排放，并且從選址風(fēng)險防范、污染物監(jiān)控防范、火災(zāi)防范等方面指出，電解鋁廠在考慮減排污染物、監(jiān)控污染物排放和污染物分散的同時，還應(yīng)注意選廠需遠(yuǎn)離生活區(qū)和衛(wèi)生防護(hù)區(qū)。此外作者還指出應(yīng)當(dāng)采用消防水系統(tǒng)，從降低可燃?xì)怏w泄漏風(fēng)險出發(fā)，加大火災(zāi)防護(hù)設(shè)施的建設(shè)。最后結(jié)合管理政策指出鋁灰堆積的渣場應(yīng)當(dāng)完善評價指標(biāo)，準(zhǔn)確選取計算危險物數(shù)質(zhì)量的條件，合理界定污染物排放的監(jiān)管部門職責(zé)，對后續(xù)企業(yè)政策的建立具有重要的意義。

當(dāng)下來看，制鋁企業(yè)和公司的管理政策主要集中在減少污染排放方面，以滿足國標(biāo)、法規(guī)和法律的規(guī)定。但實際上，隨著近年鋁灰資源化利用研究的深入，冶金行業(yè)的發(fā)展朝著“減量化、資源化和無害化”的趨勢越來越明顯，各大公司和企業(yè)更應(yīng)該看到的是鋁灰非“棄品”，更非“廢品”，加大資源化利用、無害化處理等技術(shù)的學(xué)習(xí)和應(yīng)用，使鋁灰從過去“處理難”轉(zhuǎn)變成未來的資源材料。

4 結(jié)語與展望

按照我國當(dāng)前鋁業(yè)的發(fā)展趨勢，我國鋁年產(chǎn)量還會不斷上升，也就意味著每年鋁灰產(chǎn)量將在較長時期保持較高水平。一方面，鋁灰中鉻、氟、氯等有毒有害元素給我國環(huán)境保護(hù)帶來了諸多挑戰(zhàn)，另一方面鋁灰中依舊有大量的金屬鋁、氧化鋁等可回收資源，因此需要采用合理的鋁灰處理方法，以減少資源浪費，提高資源綜合利用能力。

目前，我國對鋁灰的處理方法主要是回收處理、資源化利用。鋁灰回收處理主要包括火法回收和濕法回收，火法回收通常用于處理一次鋁灰，分為加鹽回收、無鹽回收。相比于加鹽火法回收，無鹽火法回收產(chǎn)生的污染較小，工作效率和回收率較高，更符合我國當(dāng)前綠色發(fā)展理念，未來應(yīng)當(dāng)重點研究。鋁灰的濕法處理與火法處理不同，一方面處理對象主要為二次鋁灰，另一方面回收的資源為鋁的化合物，而不是局限于金屬鋁。濕法回收的處理對象是過去不可回收的“廢渣”，可以有效提高資源的利用率；但是由于濕法回收對設(shè)備耐酸、耐堿等性能有一定的要求，濕法回收還需要進(jìn)一步深入研究。鋁灰資源化利用則是近年來新提出的概念，由于其可以直接利用廢棄鋁灰，因而推動了鋁灰資源綜合利用的發(fā)展，并且在保證材料和藥劑性能的同時降低了合成材料的成本，應(yīng)當(dāng)著重研究、發(fā)展。

我國在鋁灰處理方法進(jìn)步的同時，鋁灰環(huán)境風(fēng)險評價也在不斷發(fā)展，從僅用一兩種元素做周邊土壤分析到使用特定指標(biāo)對鋁灰堆場周邊做綜合性環(huán)境評價，但是在指標(biāo)覆蓋范圍上仍需繼續(xù)發(fā)展。不斷更新迭代的環(huán)境評價方法給國家制定法律、地方修改法規(guī)、企業(yè)制定政策提供了一個“風(fēng)向標(biāo)”，在國家、地方、企業(yè)相關(guān)法律、法規(guī)、政策的更新?lián)Q代中起到了重要作用。諸多企業(yè)的發(fā)展政策也從“發(fā)展才是硬道理”到當(dāng)下的“強(qiáng)化環(huán)境管理，實行可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略”［57］，這也從側(cè)面說明，各大企業(yè)未來應(yīng)當(dāng)更加注重政策精細(xì)化和時效性，從自身基本狀況出發(fā)，合理制定“既能促發(fā)展，又能減污染”的管理政策。

在新的時代背景下，“排放權(quán)就是發(fā)展權(quán)”的觀念下，要求重構(gòu)科研、生產(chǎn)、環(huán)保等概念，處理不好科研方向和環(huán)境的關(guān)系，就會影響科研成果的企業(yè)化應(yīng)用，發(fā)展也就會受到限制。因此，制鋁廠應(yīng)當(dāng)結(jié)合自身特點，選擇合適的鋁灰處理方法，以企業(yè)環(huán)境風(fēng)險評估為方向，依據(jù)自身情況制定兼顧發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的管理政策和發(fā)展策略；廣大研究鋁灰回收的科研人員也應(yīng)當(dāng)更加注重鋁灰降污染、無害化、資源化等的研究，加大研究與實際生產(chǎn)的結(jié)合，如此才能走出科研、生產(chǎn)、環(huán)保相結(jié)合的綠色發(fā)展之路。