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通讯作者：王心月、陈志良

通讯单位：重庆大学

DOI：https://doi.org/10.1039/D6GC01682K

核心导读：赤泥（拜耳法氧化铝生产副产物）年产 1.2–1.5 亿吨，累计堆存超 40 亿吨，富含铁、钪（Sc）和镓（Ga），却因传统高温焙烧能耗高、碳排放大而难以规模化利用。本文提出无试剂闪蒸焦耳热（FJH）处理赤泥：在不足 0.1 s 内将物料加热至>3000℃，诱导 α-Fe₂O₃ 向亚稳态 γ-Fe₂O₃ 转变，从而以稀盐酸（0.5 M HCl）实现 Fe、Sc、Ga 提取率分别提升266%、60.6%、71.6%，同时较传统焙烧减少碳排放与能耗超77%，为大宗工业固废的绿色资源化提供了全新范式。

一、背景与问题

赤泥是全球铝业产生规模最大的工业固废，年新增量高达 1.2–1.5 亿吨，累计堆存超 40 亿吨，其强碱性（pH 10–13）及镉、铬等重金属持续威胁土壤与水体安全，而其中富含的 Fe₂O₃（6.8–71.9 wt%）、Sc（500–1700 mg/kg）和 Ga（35–89 mg/kg）等"工业维生素"若能高效回收，估算资源价值可达万亿美元级别；然而现有湿法流程酸耗高、提取率低，传统高温焙烧虽可改善活性但需 1100℃ 保温数小时、须添加大量钠盐助剂，碳排与能耗巨大，两类方法均难以兼顾高效回收与绿色低碳，如何以极低能耗和无化学试剂的方式彻底激活赤泥矿相、释放被铁氧相"包裹"的稀贵金属，是领域长期未解的核心难题。

二、论文概要

本研究中，重庆大学王心月、陈志良团队提出无试剂闪蒸焦耳热（FJH）处理赤泥的新方案：将 100 mg 赤泥粉末夹置于石墨毡之间，150 V 电容放电在 0.02–0.05 s 内将样品加热至>3000℃、全程不超 4 s，不添加任何化学试剂即可将赤泥主矿相 α-Fe₂O₃ 定向转化为传统焙烧无法获得的亚稳态γ-Fe₂O₃；经 FJH 处理后以稀盐酸（0.5 M HCl，85℃，4 h）浸出，Fe、Sc、Ga 提取率分别从 17.7%、49.2%、49.9% 大幅提升至 64.8%、79.1%、85.6%，提升幅度达266%、60.6%、71.6%；多尺度表征、模型矿物实验与 DFT 计算系统揭示了"α-Fe₂O₃→γ-Fe₂O₃ 相变降低晶格约束 → Sc/Ga 解锁浸出"的机制链；生命周期评估（LCA）进一步证明 FJH 较传统焙烧减少温室气体排放、能耗和试剂消耗分别达79.2%、77.3%、47.3%，处理成本降低 70.3%。

三、图文解读

图1｜FJH 过程设计及其对赤泥的激活效果

FJH 系统示意图、实时电压-温度-电流曲线、处理前后 XRD 矿相变化、
Ga/Sc/Fe 浸出率对比、pH 依赖溶解模拟及 XPS 化学态分析

图 1 是全文的"总纲"，同时展示了 FJH 的装置逻辑、矿相变化结果与浸出性能数据三条证据线：150 V 单次放电在 0.02–0.05 s 内使样品突破 3000℃，全程不超 4 s；XRD 对比显示 FJH 处理后赤泥中赤铁矿（α-Fe₂O₃）衍射峰明显减弱，而磁赤铁矿（γ-Fe₂O₃）特征峰出现，三水铝石（gibbsite）完全分解；与未处理赤泥相比，FJH 后 Ga、Sc、Fe 提取率分别跃升71.6%、60.6%、266%；XPS 分析进一步表明，Ga 和 Sc 的化学形态在 FJH 前后并无显著变化，意味着提取效率的大幅提升并非来自稀金属自身的相变，而是源于宿主铁氧相的转变。

图2｜稀金属与基体元素的浸出相关性及空间分布

梯度盐酸浸出行为（Ga/Sc vs. Fe/Al/Si）及原始赤泥的 SEM-EDS / TEM-EDS 元素分布

图 2 通过"酸浓度梯度浸出实验 + 多尺度元素成像"联合证明了稀金属的宿主归属：低酸段（≤0.1 M HCl）Ga/Sc 随 Al、Si 协同释放，表明一部分稀金属赋存于三水铝石和方钠石等铝硅相中；进入 0.5 M HCl 后，Ga/Sc 的 FJH 增强效应最为显著且与Fe 的溶出高度同步，指向铁氧相作为主控宿主；TEM-EDS 纳米尺度成像进一步证实，Ga 和 Sc 与富 Fe 区域的空间共位关系强于与富 Al 区域，直接揭示了α-Fe₂O₃ 是稀金属的关键"锁笼"相。

图3｜关键宿主相鉴定：赤铁矿是稀金属的核心锁笼

三种模型矿物（三水铝石/方钠石/赤铁矿）溶解行为、浸出残渣 XRD 相变追踪、
相转化路径示意图、磁性变化及碱助 FJH（FJH-ARM）浸出对比

图 3 采用模型矿物替换对照实验，系统锁定赤铁矿为制约稀金属浸出的关键相：三水铝石和方钠石在 FJH 前后溶解性变化有限，而 FJH 处理的赤铁矿在 0.5 M HCl 下溶解度提升62.8%，与赤泥实验中铁和稀金属浸出的强化趋势完全吻合；磁性测量显示 FJH-RM 磁化强度的升高印证了亚稳磁性 γ-Fe₂O₃ 的生成；碱辅助 FJH 处理（FJH-ARM）通过 NaOH 破坏铝硅骨架进一步释放 Ga/Sc，证明铝硅相对稀金属的二次包裹封存，也是阻碍浸出的次级机制。

图4｜FJH 诱导赤铁矿相变的能量密度调控规律

不同样品质量/电压下 FJH 的 XRD 相组成、TEM 晶格解析、磁性变化，
以及传统马弗炉焙烧（800–1500℃）相变路径对比

图 4 系统揭示了 FJH 诱导赤铁矿相变的"能量密度-产物"对应关系：在 150 V 固定电压下，随样品质量从 20 mg 增至 100 mg，能量密度（ED）从 ≥10.66 kJ/g 降至 ≤7.50 kJ/g，相变产物依次由Fe₃O₄/FeO → γ-Fe₂O₃+Fe₃O₄ → 纯 γ-Fe₂O₃演变；TEM 晶格条纹验证了各产物的晶面特征，磁化强度升至 23.92 emu/g 佐证了磁性相的生成；对照实验表明，传统马弗炉焙烧在 1200℃ 以下几乎不发生相变，1500℃ 才出现少量 Fe₃O₄，且任何温度下均检测不到 γ-Fe₂O₃——这一"常规热处理禁区"的亚稳相正是 FJH 超快冷淬特性的独特产物。

图5｜DFT + 多物理场模拟揭示相变驱动力与溶解性跃变

三种铁氧化物体相能/表面能/ΔG-温度关系（DFT）、COMSOL 电流密度与温度场模拟、
pH 依赖铁离子溶解浓度对比

图 5 从理论层面打通了"FJH 为何生成 γ-Fe₂O₃"和"γ-Fe₂O₃ 为何更易被酸浸"两个关键问题：DFT 计算显示 γ-Fe₂O₃ 表面能（0.569 eV/Ų）远高于 α-Fe₂O₃（0.128 eV/Ų），正是这种高表面能不稳定态驱动其在酸液中优先溶解；COMSOL 多物理场模拟揭示 FJH 过程中石墨毡与赤铁矿接触界面局部温度可达 2800℃，远高于样品内部（<400℃），陡峭热梯度诱导界面相变并向内传播；pH 依赖溶解曲线对比清晰表明，γ-Fe₂O₃ 在 pH<2 即大量溶解，而 α-Fe₂O₃ 仅在 pH<1 时才明显溶出，二者溶解窗口的差异直接解释了 0.5 M HCl 对 FJH-RM 的优先浸出增强。

图6｜FJH 强化赤泥金属提取的全机制示意图

FJH 强化 Fe/Sc/Ga 从赤泥中提取的两条路径机制综合示意图

图 6 是全文机制的总结视图，清晰勾勒出 FJH 增强稀贵金属浸出的双重路径：直接路径——α-Fe₂O₃ 转化为 γ-Fe₂O₃ 后晶格约束减弱，赤铁矿中包裹的 Sc/Ga 及铁本身在酸浸时获得直接解锁；间接路径——α-Fe₂O₃ 原先物理包覆着铝硅相（含三水铝石、方钠石中的 Sc/Ga），铁氧相溶解后暴露出下层铝硅矿物，释放其中赋存的稀金属；两条路径协同作用使得 Sc/Ga 的整体浸出效率在单一低酸浓度下即大幅跃升。

图7｜生命周期评估与多金属顺序分离策略

FJH 与传统焙烧的物料流对比、一次能耗/GWP/成本雷达图，以及浸出液中 Fe/Ga/Sc/Al 顺序分离流程

图 7 从绿色经济学角度为全文画上句号：生命周期评估（摇篮到大门）显示，处理 1 kg 赤泥时 FJH 的温室气体排放（GWP）、一次能耗（PED）和试剂消耗分别比传统焙烧降低79.2%、77.3%、47.3%，处理成本低70.3%，综合绩效雷达图面积显著更小；基于 FJH 浸出液的多金属顺序分离路线图进一步展示了从草酸光还原沉铁、pH 调节除硅、Cyanex 272 萃 Ga、Cyanex 925 萃 Sc 到 NaOH 沉铝的完整下游回收闭环，为 FJH 技术的工程化应用提供了可操作的流程蓝图。

四、总结与展望

本工作以无试剂 FJH 技术将传统赤泥焙烧改造为秒级固相电热冲击过程，通过精确调控能量密度在常规高温手段"禁区"中定向生成亚稳态 γ-Fe₂O₃，从根本上解除了铁氧化物基体对 Fe、Sc、Ga 的晶格锁笼，实现了以稀盐酸即可完成的高效协同提取，同时将碳排放与能耗压降超 77%，展示出大宗固废绿色冶金的全新可能性；展望未来，推进 FJH 放大设备（吨级/小时级）的工程示范、建立实时表征与反馈控制以精准维持 γ-Fe₂O₃ 产率窗口、拓展该亚稳相策略至尾矿、粉煤灰等其他富铁铝工业固废，将是将本文方法从实验室推向工业应用的关键下一步。

原文：Juanli Yuan, Chen Sun, Xinyue Wang, et al. "Toward sustainable recovery of iron and rare metals from red mud via electrothermal shock-induced metastable phase engineering."Green Chem., 2026.

DOI: 10.1039/d6gc01682k ｜ 期刊：Green Chemistry（RSC）