探秘意大利撒丁岛红泥：稀土元素含量与矿物学的多尺度解析及其潜在价值挖掘

为解决红泥（RMs）环境危害及资源化利用问题，研究人员对意大利撒丁岛 Portovesme 地区红泥开展多尺度分析研究。通过多种技术手段，确定其化学组成、矿物相及微观结构等。研究结果为红泥中关键原材料（CRMs）回收及再利用提供依据，助力向循环经济转型。

　　在当今资源与环境问题备受关注的时代，红泥（Red Muds，RMs）作为氧化铝生产过程中产生的废弃物，正逐渐成为科研领域的焦点。红泥通常由铝土矿经拜耳法生产氧化铝后产生，其大量堆积不仅占用土地资源，还因其高碱性对环境造成严重危害，如污染土壤、水体等 。然而，红泥并非毫无价值，它含有多种有价值的金属，包括稀土元素（Rare Earth Elements，REEs）等，是潜在的多金属资源。但目前对于红泥中这些元素的含量、赋存状态以及其矿物学特征等方面的研究还不够深入，尤其是来自意大利撒丁岛 Portovesme 地区的红泥，相关的全面化学和矿物学知识较为匮乏，这极大地限制了红泥的有效资源化利用。

为了填补这一研究空白，推动红泥从环境负担向资源转变，来自意大利多所大学（包括巴里大学、萨萨里大学、巴西利卡塔大学、米兰比可卡大学等）以及法国里尔大学的研究人员展开了一项深入研究。该研究成果发表在《Heliyon》杂志上。

研究人员为了全面剖析红泥的特性，采用了多种先进的技术方法。首先，通过电感耦合等离子体发射光谱法（Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry，ICP-OES）和电感耦合等离子体质谱法（Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry，ICP-MS）来精确测定红泥中各种元素的含量 。其次，运用 X 射线粉末衍射（X-Ray Powder Diffraction，XRPD）技术，结合 Rietveld 分析方法，对红泥的矿物相进行定性和定量分析 。此外，利用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy，SEM）和透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy，TEM）对红泥的微观结构和形貌进行观察，同时借助能谱分析（Energy Dispersive Spectrometry，EDS）确定元素的分布情况。

研究结果主要分为以下几个方面：

1. 化学数据：红泥主要元素组成（wt%，以中值计）以 Fe₂O₃（25.63±3.06）为主，随后是 Al₂O₃（20.43±2.30）、SiO₂（15.65±2.53）、Na₂O（8.59±2.48）和 TiO₂（5.33±1.10）。在微量元素方面，Ba、Ga、Ni、Sr 和 Zn 的浓度变化显著。∑LREEs（292.27 ppm）含量比∑HREEs（134.30 ppm）更丰富且分散性更大。在 HREEs 中，钇（Yttrium，Y，83.50±17.77 ppm）含量最高；在 LREEs 中，铈（Cerium，Ce，231.50±56.80 ppm）最为丰富。不同储存盆地的红泥化学组成存在差异，如盆地 A 的成分相对均匀，Fe₂O₃含量最低，Na₂O 含量最高；盆地 B 的微量元素含量变化大；盆地 C 的 SiO₂和 BaO 含量较高。
2. 矿物学：Rietveld 分析表明，红泥具有复杂的矿物组成，包含多达 20 种可能的矿物相。主要矿物相有铁氧化物 / 氢氧化物、铝氢氧化物 / 氢氧化物、钛氧化物、硅酸盐、碳酸盐、层状双氢氧化物和卤化物矿物等。其中，铁氧化物 / 氢氧化物含量最高，其次是硅酸盐、铝氢氧化物 / 氢氧化物等。红泥的非晶质含量在 32 - 49 wt% 之间（Eur 3 和 7 除外），各矿物相的相对浓度变化较大。虽然 XRD 未检测到 REE 矿物，但通过 SEM 观察到了 HREE - 磷酸盐和 Ce - 铁钛酸盐等 REE 相关矿物。
3. 电子显微镜研究：SEM 图像显示红泥由小的不规则针状、颗粒状和聚集颗粒组成。元素映射表明其主要由铁、铝、钛、硅、钙和钠组成，氯和硫在特定区域集中。SEM - EDS 光谱确定了多种相的存在，包括铁、铝、钛和硅的氧化物、锌硅酸盐、NaCl 和硫酸钙等，还发现了 Ca - 和 REE - 磷酸盐、ZnS、Ba - 硫酸盐和 Ce - 铁钛酸盐。TEM 图像显示红泥晶粒尺寸分布广泛，从微米到纳米级，形态多样。SAED 图案表明晶粒主要为结晶态，多数衍射峰对应赤铁矿和勃姆石。EDS 映射确定了元素间的相关性，如 Fe 和 Al 倾向于形成各自的相，Al 还与 Si 和 Na 相关等。

研究结论和讨论部分指出，红泥在结晶度、残留和新形成相的数量和类型方面非常复杂。通过 Rietveld 分析结合 SEM 和 TEM 研究，发现了更多的矿物相，改进了对该地区红泥的认知。研究中红泥的元素丰度顺序为 Fe>Al>Si>Na>Ti>Ca，与典型红泥有所不同。其 Fe 品位、Al/Si 比、钠和钙含量等特征与其他研究结果既有相似之处，也存在差异。此外，研究首次测定了该地区红泥中 REEs、Sc、Ga 和 Ni 等有价值痕量 CRMs 的含量，为评估红泥中 CRMs 回收的经济效益提供了重要数据。然而，REE 在铝土矿和红泥中的形态非常复杂，仍需进一步研究。

总体而言，这项研究为红泥的资源化利用提供了关键的基础数据，有助于设计更有效的多金属回收工艺路线，推动红泥从废弃物向有价值资源的转变，在资源循环利用和环境保护方面具有重要意义。