堿法焙燒脫除二次鋁灰中的氟、氯元素及鋁的回收

張寧燕

（云南湖柏環(huán)?？萍加邢薰?昆明 650034）

鋁灰是電解鋁或鑄造鋁生產(chǎn)工藝中產(chǎn)生的熔渣經(jīng)冷卻加工后的產(chǎn)物，主要由金屬鋁、氧化物、鹽溶劑組成。根據(jù)鋁灰中鋁的含量可將其分為一次鋁灰和二次鋁灰，一次鋁灰一般呈灰白色，在電解原鋁及鑄造等不添加鹽溶劑的過程中產(chǎn)生，主要成分為單質(zhì)鋁和鋁的氧化物，含鋁15%～70%[1]；二次鋁灰是經(jīng)鹽浴處理回收一次鋁灰所產(chǎn)生的廢物，主要由氯化鈉、氯化鉀、氟化物、氧化鋁和鋁的化合物組成，鋁含量較一次鋁灰低，含鋁12%～30%[1-2]。由于二次鋁灰的有害雜質(zhì)多、鋁含量低、處理難度大，因而一般采用堆存或填埋的方式處理，這造成了鋁資源的嚴重浪費，若處理不當(dāng)，還會導(dǎo)致二次鋁灰中的氟、氯等有害元素污染環(huán)境[3]。

本文采用堿溶法對二次鋁灰進行處理，在脫除有害元素氟、氯的情況下，同時回收二次鋁灰中的鋁資源。堿熔法是將鋁灰與堿混合后進行焙燒，焙燒過程中，二次鋁灰中的氟、氯元素會揮發(fā)進入廢氣中，鋁灰中的鋁轉(zhuǎn)化為可溶性的鋁酸鹽，用水或稀堿溶液溶出焙燒產(chǎn)物后得到鋁酸鈉溶液。

1 實驗

1.1 實驗原料

實驗所用原料為某電解鋁廠經(jīng)過金屬鋁回收后的二次鋁灰，實驗所用的其它試劑均為分析純，實驗用水為去離子水。

對二次鋁灰原料進行X射線熒光光譜（XRF）分析（表1）可知，二次鋁灰中的主要元素為Al、Ca、Na、F、Si等元素，另外還含有少量的Cl、Cu、Ga、Mn、Ni、P、S、Zn、V和Zr等元素。XRD物相分析表明：二次鋁灰中的主要物相為Al、AlN、Al2O3、NaCl、Na3AlF6、

MgAl2O4、Si、SiO2，由于表1中的其它元素豐度太低，未能檢出。

圖1 實驗用二次鋁灰的XRD譜圖

1.2 實驗儀器

馬弗爐（RJF-15-10）、旋片式真空泵（2XZ-0.5）、恒溫干燥箱（DHG-9031A）、電子天平（FA-N/JA-N）、水浴鍋（HHS-4）、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜分析儀(ICP—AES)、X射線熒光光譜儀（XRF）、X射線衍射儀（XRD）。

表1 二次鋁灰中的主要元素含量

1.3 實驗方法

焙燒：稱取一定量的鋁灰和碳酸鈉充分混合后在一定的溫度下焙燒；

冷卻：焙燒產(chǎn)物經(jīng)自然冷卻后取出；

氟、氯元素測定：對焙燒產(chǎn)物中的氟、氯元素進行測定，計算氟、氯的脫除效率；

水浸：用一定量的去離子水在一定溫度下浸出焙燒產(chǎn)物中的鋁酸鈉；

固液分離：水浸完成后，采用真空泵進行抽濾，實現(xiàn)固液分離，并分析濾液中鋁元素的含量，然后計算鋁溶出率。

2 結(jié)果與討論

2.1 二次鋁灰的熱分析

為了初步確定鋁灰無害化處理的焙燒溫度，熱重-差熱分析（TG-DSC）被執(zhí)行。實驗的熱分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 二次鋁灰的熱分析譜圖

由圖2知，DSC曲線上共出現(xiàn)了6個吸熱峰，峰值溫度為236.9℃的吸熱峰，對應(yīng)著二次鋁灰的分解反應(yīng)；峰值溫度為574.9℃的尖銳吸熱反應(yīng)峰，與二次鋁灰的相變反應(yīng)有關(guān)；峰值溫度為655.4℃的尖銳吸熱反應(yīng)峰，表明二次鋁灰再次發(fā)生了相變；峰值溫度分別為702.2℃和744.1℃的兩寬化吸熱反應(yīng)峰，與二次鋁灰的相變反應(yīng)有關(guān)；峰值溫度為1019.4℃的寬化吸熱反應(yīng)峰，對應(yīng)著較大的分解反應(yīng)。

TG曲線在40℃～193.1℃溫度段增重0.13%，在193.1℃～254.0℃溫度段失重 0.23℃，在 254.0℃～837.2℃溫度范圍內(nèi)增重1.47%，在837.2℃～1086.4℃溫度范圍內(nèi)失重9.80%，在1086.4℃～1200℃溫度段失重1.59%。總失重11.62%。

綜合熱分析結(jié)果，焙燒溫度初步確定在700℃～1300℃之間。

2.2 焙燒溫度對氟、氯脫除率的影響

稱取一定的二次鋁灰，然后按質(zhì)量比m（Na2CO3）：m（二次鋁灰）=1.1：1的比例加入Na2CO3，充分混合均勻后，在馬弗爐中焙燒4h。圖3展示了焙燒溫度對氟、氯脫除率的影響規(guī)律。

圖3 焙燒溫度對氟、氯元素脫除率的影響

由圖3可知，隨著焙燒溫度的增加，氟、氯元素的脫除率先增加后趨于穩(wěn)定。當(dāng)溫度從700℃增加至1200℃，氯元素的脫除率從94.26%增加至98.78%，氟元素的脫除率從60.3%增加至94.26%，繼續(xù)增加焙燒溫度，氟、氯元素的脫除率基本保持不變。

2.3 焙燒時間對氟、氯脫除率的影響

為了研究焙燒時間對氟、氯脫除率的影響，實驗在 m（Na2CO3）：m（二次鋁灰）=1.1：1，焙燒溫度為1200℃的條件進行。圖4展示焙燒時間對氟、氯脫除率的影響規(guī)律。

圖4 焙燒時間對氟、氯元素脫除率的影響

由圖4知，隨著焙燒時間的增加，氟、氯元素的脫除率先增加后趨于穩(wěn)定，焙燒時間達到6h，氯的脫除率最大，為99.75%。焙燒時間達到4h，氟的脫除率最高，為94.3%。綜合考慮，焙燒時間確定為4h。

2.4 焙燒產(chǎn)物的浸出

為了實現(xiàn)焙燒產(chǎn)物中鋁資源的利用，選取碳酸鈉與二次鋁灰質(zhì)量比1.1：1焙燒溫度1200℃、焙燒時間4h下所焙燒的產(chǎn)物作為鋁浸出實驗物料。浸出實驗在離子水與焙燒產(chǎn)物的質(zhì)量比5：1、浸出溫度80℃、浸出時間1h的條件下執(zhí)行，通過測定浸出液中鋁含量后，經(jīng)計算鋁的溶出率約為90%。

3 結(jié)論

（1）采用堿熔法對二次鋁灰進行處理，在焙燒溫度1200℃、焙燒時間4h、碳酸鈉與二次鋁灰的質(zhì)量比1.1：1的條件下，氟的脫除率最高，為94.3%；在焙燒溫度1200℃、焙燒時間6h、碳酸鈉與二次鋁灰的質(zhì)量比1.1：1的條件下，氯的脫除率最高，為99.75%。

（2）采用m（Na2CO3）：m（二次鋁灰）=1.1：1、焙燒溫度1200℃、焙燒時間4h下的焙燒產(chǎn)物進行鋁的浸出，在液固質(zhì)量比5：1、浸出溫度80℃、浸出時間1h的條件下執(zhí)行，鋁的浸出率約為90%。