利用含鋁廢泥和工業(yè)鹽酸制備聚合氯化鋁的工藝優(yōu)化

曾猛，楊東奎，劉偉仁，楊學(xué)壯，樊文星，邱菲菲

（惠州市斯瑞爾環(huán)境科技股份有限公司，廣東惠州516267）

在鋁材進(jìn)行成型、電鍍等深加工前，首先對鋁材表面進(jìn)行酸洗、堿洗等表面處理，以除去鋁材表面的油污和氧化膜，對鋁材進(jìn)行活化，然后將表面處理過程中產(chǎn)生的酸液、堿液以及表面處理后的清洗水進(jìn)行混合、中和[1]，這樣就產(chǎn)生了大量的Al（OH）3沉淀，即所謂的含鋁廢泥，有些文獻(xiàn)上也稱為廢鋁渣[2]。隨著社會(huì)的發(fā)展，鋁制品的需求日益增多，產(chǎn)生的鋁垃圾也不斷增長，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國鋁型材年產(chǎn)量大概在1 200萬t，產(chǎn)生的含鋁廢泥總量為120萬t，這么大量的含鋁廢泥如果處置不當(dāng)，不僅會(huì)造成空氣、地下水污染以及建筑物表面和土壤環(huán)境的破壞，還會(huì)造成大量易溶、易利用的鋁資源的浪費(fèi)和流失[3]。

聚合氯化鋁（PAC）是一種高性能無機(jī)高分子絮凝劑，與傳統(tǒng)的鋁鹽和鐵鹽混凝劑相比，具有分子結(jié)構(gòu)大、吸附力強(qiáng)、形成的絮體大、沉降快、適應(yīng)pH值范圍寬、不需要助凝劑和不受水溫度影響等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注[4，5]，廣泛應(yīng)用于源水和廢水處理，以及造紙、制革、醫(yī)藥、化妝品等諸多領(lǐng)域[6]。

文中糅合了傳統(tǒng)的一步法和兩步法生產(chǎn)工藝，克服了該兩種生產(chǎn)工藝的缺陷，提出了一種利用工業(yè)鹽酸溶解浸出含鋁廢泥制備聚合氯化鋁產(chǎn)品的新工藝，主要通過控制物料投料比來控制聚合氯化鋁產(chǎn)品的鋁含量（以Al2O3計(jì)）和鹽基度，所得濾渣可經(jīng)過二次或者多次反溶使其中的鋁資源被充分利用，同步減少固廢產(chǎn)生量，減少了生產(chǎn)環(huán)節(jié)，提高了生產(chǎn)效率。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)及主要儀器

1.1.1 實(shí)驗(yàn)原料

含鋁廢泥，13.81%（以Al2O3計(jì)，濕基）；鹽酸，31.4%（以HCl計(jì)，工業(yè)級）。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

電動(dòng)攪拌機(jī)，HD2010W型，上海司樂儀器有限公司；

電子天平，HZY-B5000型，福州華志科學(xué)儀器有限公司；

電熱恒溫水浴鍋，DK-98-Ⅱ型，天津市泰斯特儀器有限公司；

循環(huán)水式多用真空泵，SHZ-D（Ⅲ）型，河南愛博特科技發(fā)展有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

1.2.1 一步法制備聚合氯化鋁（含鋁廢泥過量）

所謂的一步法，是指含鋁廢泥與工藝鹽酸在一定條件下反應(yīng)，過濾后所的濾液不需要二次操作直接可得符合GB/T 22627—2014標(biāo)準(zhǔn)的聚合氯化鋁產(chǎn)品，即按一定配比（消耗一定量工業(yè)鹽酸的Al2O3實(shí)際投加量與理論投加量之比）在燒杯中加入一定量含鋁廢泥和工業(yè)鹽酸，在一定溫度下攪拌反應(yīng)一段時(shí)間后，過濾，所得濾液即為聚合氯化鋁。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

該實(shí)驗(yàn)的目的主要是考察投料配比、反應(yīng)溫度以及反應(yīng)時(shí)間對產(chǎn)品鋁含量（以Al2O3計(jì)）、鹽基度的影響，雖然GB/T 22627—2014標(biāo)準(zhǔn)中要求液體聚合氯化鋁中鋁含量（以Al2O3計(jì)）≥6.0%，鹽基度為≥30%，但是從客戶需求和絮凝效果角度，鹽基度還是越高越好，由表1數(shù)據(jù)可知，隨著投料配比的增大，聚合氯化鋁產(chǎn)品的鋁含量、鹽基度都是增加的，反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間對鋁含量、鹽基度的增加并不明顯，但是隨著投料配比越大，鹽基度越高，含鋁廢泥過量越多，也越難過濾，另由實(shí)驗(yàn)可知，以2.5∶1為例，80℃下反應(yīng)3 h后所得濾渣中鋁含量12.39%（濕基），直追原含鋁廢泥的鋁含量，從鋁資源的有效利用以及渣的減量化處理的角度，這個(gè)渣是必須要二次反溶的。由表1可知，適宜的反應(yīng)條件為：最佳反應(yīng)配比2.5∶1，反應(yīng)溫度60℃，反應(yīng)時(shí)間1 h。

表1 不同反應(yīng)條件下所得聚合氯化鋁中Al2O3含量及鹽基度

1.2.3 兩步法制備聚合氯化鋁

所謂兩步法，是指含鋁廢泥與過量的工業(yè)鹽酸反應(yīng)后，過濾，得到一定酸度的三氯化鋁溶液，再以該酸度為基準(zhǔn)，加入過量含鋁廢泥，重復(fù)一步法實(shí)驗(yàn)過程，即可得到符合要求的聚合氯化鋁產(chǎn)品。

1.2.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

在第一步溶泥過程中，酸是過量的，反應(yīng)比較快，容易沉降分層，而且過濾也非?？欤ū?），由表3可以看出，隨著配比增大，鋁泥過量增多，溶液中Al2O3含量也逐漸增大，鹽基度逐步增大，但是渣量也增大，過濾也會(huì)更難。

因此，若考慮產(chǎn)品的高鹽基度，則需調(diào)整耗酸配比在（20～30）∶1，繼續(xù)增加配比，鹽基度可能會(huì)增大，但是鋁的溶出率會(huì)更低，過濾也會(huì)更艱難，置于第一步溶泥，則根據(jù)酸過量的程度，可調(diào)整配比為（0.8～1.2）∶1。

之所以會(huì)把聚鋁的兩段生產(chǎn)工藝分開，是因?yàn)殇X泥過量時(shí)，渣比較多，渣中剩余鋁含量較高，渣必須反溶，而且在較高鹽基度下，溶液難以沉降分層，從而會(huì)造成一個(gè)循環(huán)，就是每一批次的聚合氯化鋁生產(chǎn)中鋁泥都是過量的，每一批次的渣都是要反溶的，沒法排出幾乎不含鋁的廢渣，直接排渣就無法做到渣的減量化處理和鋁的有效利用。

表2 過量工業(yè)鹽酸溶泥

表3 鹽基度的調(diào)整

2 工業(yè)鹽酸溶解含鋁廢泥制備聚合氯化鋁的工藝路線的確定

由上述實(shí)驗(yàn)可知，一步法和兩步生產(chǎn)聚合氯化鋁工藝各有優(yōu)劣，一步法不能有效進(jìn)行排渣，直接排渣會(huì)增加固廢量，也不利于渣中鋁的回收和利用，而兩步法則增加了生產(chǎn)環(huán)節(jié)，會(huì)增加生產(chǎn)時(shí)間和人力成本，不利于生產(chǎn)效率的提高，只有將一步法生產(chǎn)和兩步法生產(chǎn)有機(jī)地聯(lián)系起來才可能具有較好的實(shí)踐意義。

2.1 設(shè)計(jì)工藝流程圖

工業(yè)鹽酸溶解含鋁廢泥制備聚合氯化鋁工藝路線如圖1。

圖1 以鋁泥與工業(yè)鹽酸為原料制備聚合氯化鋁工藝流程圖

2.2 生產(chǎn)工藝路線的確定

將含鋁廢泥投加到攪拌槽中，按照2.5∶1的配比將工業(yè)鹽酸加入到含鋁廢泥中，常溫下攪拌30～60 min，攪拌均勻后，通過耐酸泵將料液打入家夾套反應(yīng)釜中，升溫至60～80℃后，攪拌反應(yīng)1 h，壓濾，所得濾液即為聚合氯化鋁產(chǎn)品。濾渣直接投入到攪拌槽反溶，檢測剩余酸后，再按照2.5∶1的配比再次投加含鋁廢泥和工業(yè)鹽酸，所得濾液為聚合氯化鋁產(chǎn)品，濾渣則再次反溶，依次類推，當(dāng)反復(fù)幾次后渣量明顯增多時(shí)，濾渣中不溶物含量大增，再按照2.5∶1的配比投料時(shí)，溶液中固含量也非常多，不利于攪拌和浸出鋁，因此，要用過量酸來反溶這種濾渣，溶解完全后，壓濾，濾渣作為固廢處理，濾液加入到攪拌槽中，以剩余酸量為基準(zhǔn)，按照（20～30）∶1的配比投加含鋁廢泥，再在60～80℃下攪拌反應(yīng)1 h后，過濾，濾液即為合格的聚合氯化鋁，此時(shí)濾渣中鋁含量比較高，再按照2.5∶1的配比重復(fù)上述步驟進(jìn)行反應(yīng)，該生產(chǎn)工藝即可循環(huán)運(yùn)行。

在該工藝中，反應(yīng)溫度相對市場上聚合氯化鋁專業(yè)生產(chǎn)廠家所用的鋁酸鈣粉工藝的反應(yīng)溫度（≥100℃）要低得多，其原因是只要含鋁廢泥過量，所得濾渣都必須反溶，含鋁廢泥的鋁浸出率高低的重要性沒有那么明顯，以廣東惠州某聚合氯化鋁生產(chǎn)廠家為例，他們主要以氫氧化鋁為原料，氫氧化鋁價(jià)格昂貴，而且沒有渣反溶工藝，鋁浸出率的高低就顯得尤為重要，鋁浸出率低意味著浪費(fèi)很多鋁資源，生產(chǎn)成本也大大提高，所以要在較高的反應(yīng)溫度下進(jìn)行，這也是本工藝與之區(qū)別的地方。

3 結(jié)語

研究結(jié)果表明，含鋁廢泥具有很好的鋁資源回收和再生利用價(jià)值，以含鋁廢泥和工業(yè)鹽酸為原料，利用傳統(tǒng)的一步法或者兩步法生產(chǎn)工藝能夠得到有效含量（以Al2O3計(jì)）＞8%、鹽基度＞50%的聚合氯化鋁產(chǎn)品，但是，含鋁廢泥畢竟是一種工業(yè)廢棄物，只能提取其中有限的有益部分加以利用，單一依靠一步法或者兩步法很難實(shí)現(xiàn)含鋁廢泥中鋁資源的有效利用以及危險(xiǎn)廢棄物的減量化處理，為此，在一步法和兩步法的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，優(yōu)化了生產(chǎn)工藝，改善了生產(chǎn)條件，克服了一步法排渣難、兩步法生產(chǎn)效率低的缺陷，取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果。