铝灰高值化回收利用技术现状

郭冉，刘雄章，李青达，衣雪梅

（西北农林科技大学机械与电子工程学院，陕西杨凌712100）

铝灰高值化回收利用技术现状

郭冉，刘雄章，李青达，衣雪梅

（西北农林科技大学机械与电子工程学院，陕西杨凌712100）

铝灰是一种产量大、污染严重的工业废弃物，主要产生于电解、熔铸的工序。由于其含有大量的金属铝、氧化铝等有价成分，因此受到了人们的广泛关注。合理有效地回收处理铝灰，不仅能解决铝灰直接填埋造成的环境污染问题，还能做到资源有效利用，提高经济效益和社会效益。综述了铝灰有价成分的不同回收工艺及其回收利用现状，详述了从铝灰中回收铝及用铝灰制备各种新材料的工艺。最后，对铝灰的综合利用做了展望。

铝灰；新材料；利用；回收

炼铝时产生的铝灰是一种产量大、污染严重的工业危险废弃物，2008年被国家环保部和国家发改委列入《国家危险废物名录》。铝灰主要产生于电解、熔铸等工序，由铝、氧化铝、氮化铝以及其他氧化物、氯化物构成。根据铝含量不同铝灰可分为一次铝灰和二次铝灰。一次铝灰的主要成分是铝氧化物和铝，铝含量高达15%～70%（质量分数，下同），通常情况下工厂和企业会对一次铝灰进行回收处理，处理后的铝灰即为二次铝灰，铝含量降至10%～30%［1］。由于二次铝灰铝含量较低且难以处理，一般的处理方法是将其堆积在厂区或直接填埋。这种方法不仅浪费资源，还严重污染了环境。据统计，每生产1000t铝，将产生25 t左右的铝灰［2］，将铝灰中有价元素高值化回收利用，变废为宝，获得廉价原料的同时既提高了企业的经济效益，又解决了环境污染问题，对铝工业发展和生态环保都具有重要的战略意义。

1 铝灰中有价成分的回收

1.1 铝的回收

目前，国内外回收铝的方法有很多，根据回收工艺可分为添加盐类添加剂和不添加盐类添加剂两种。传统的回收工艺是添加盐类添加剂，以实现铝与其他成分的分离。盐类添加剂主要是以氯化盐为主要成分的盐熔剂。该方法的关键是盐类添加剂，主要原理是利用盐熔剂降低铝灰中的金属铝熔点，使其在较低温度下从氧化层中熔化并流出，既降低了因高温造成的氧化损失，又加快了氧化层的破裂，使其与其他氧化物杂质有效地分离开来，提高了回收率。利用该原理对铝灰进行铝回收的方法主要有炒灰法、ALUREC（Aluminium Recycling）法和倾动回转炉法等。不添加盐类添加剂的回收工艺成本低、能耗少、节能减排，同时也解决了添加盐类添加剂产生的盐饼处理费用较高的问题。重力选矿法的原理是使用摇床为设备，借助水浮力的作用并利用金属单质和杂质密度的不同，使其分离，省去了对含盐废料处理的环节，节约了成本。

1.2 氧化铝的回收

侯蕊红等［3］以铝灰为原料，采用高温煅烧法，将原料经水洗预处理后，在高温下直接煅烧制备氧化铝。研究结果表明：水洗处理铝灰可提高铝灰的回收率和产物纯度。在1600℃高温下煅烧4 h，所得氧化铝质量分数可达95.86%。王宝庆［4］以铝灰和硫酸为原料，采用酸浸取法制备了氧化铝粉体。首先利用硫酸浸出铝灰，得到硫酸铝，并采用亚铁氰化钾沉淀法去除硫酸铝中的铁；再利用碳酸氢铵溶液与除铁后的硫酸铝溶液反应得到前驱体碳酸铝铵，在1150℃下煅烧2 h得到纯度为99.12%的α-Al2O3。刘晓红等［5］也以相同的方法浸取铝灰制备得到了纳米级氧化铝粉体，产物颗粒约为70 nm。李菲等［6］采用低温碱性熔炼法制取了氧化铝。以铝灰为原材料，将铝灰与NaOH、NaNO3混合，在一定条件下浸出熔炼产物进行晶种分解得到氢氧化铝，再在1200℃下煅烧1 h得到D50为4.52 μm的α-Al2O3。

1.3 盐的回收

从铝灰中回收铝的过程中，盐类通常用来降低铝的溶解温度。张利波等［7］发明了一种高效回收氧化铝和氯盐的方法。先将铝灰与水溶液按液固比为（1～5）∶1调浆，并在超声场下强化浸出反应，将浸出的料浆液固分离，对浸出液浓缩结晶，得到氯盐，回收率达98%以上。该发明不仅解决了盐类添加剂成堆堆放和直接排放到河里造成的环境污染，还降低了成本，提高了铝灰的利用率。

2 铝灰的除杂

为了使铝灰能够满足循环利用的要求，目前许多技术方法已被应用于铝灰的除杂。郑磊［8］分别用一次水溶液浸出法、二段水溶液浸出法、热球磨浸出法、碱液浸出法对二次铝灰做了除杂比较。前3种选择水溶剂为介质的浸出法对Na、Cl、K元素的浸出效果都十分显著，但却无法浸出Si元素。碱液浸出法是将二次铝灰浸泡在NaOH溶液中，在一定温度下机械搅拌，浸出一段时间后经抽滤、真空干燥，得到粉末。碱液浸出法在4种方法中浸出率最高，除杂效果最好。刘庆生等［2］研究了用酸浸法除杂的方法。该方法首先将铝灰与盐酸溶液混合酸浸，再放入马弗炉中1200℃下焙烧2 h。铝灰经酸浸后再焙烧，不仅可以有效地去除杂质，还使其晶型发生了转变，改变了结构和性质，有利于更好地对其实现综合利用。

3 利用铝灰制备新材料

3.1 利用铝灰合成Sialon陶瓷材料

Sialon陶瓷具有强度高、硬度高、耐高温、热学和电学性能优良等优点。李家镜［9］以铝灰为原材料，采用铝灰-金属硅体系用固相反应的方法得到了物相较好的Sialon陶瓷，之后通过热压烧结的方式，在1750℃下烧结保温4 h，成功制备出致密的β-Sialon-15R陶瓷。该陶瓷密度为3.2 g/cm3，维氏硬度为12.3 GPa，抗弯强度为432 MPa，断裂韧性为4.31 MPa·m1/2。Sialon的制备多采用纯度较高的原料，成本较高，限制了其在工业中的广泛应用。利用铝灰制备Sialon材料，不仅使资源得到了有效的循环利用，还降低了制备Sialon的成本，具有重要的经济效益和社会意义。

3.2 利用铝灰制备氧化铝类材料

3.2.1 利用铝灰制备棕刚玉

目前，制备棕刚玉用的铝矾土资源越来越紧缺，研究发现铝灰可以代替铝矾土制备棕刚玉。刘瑞琼等［10］以经预处理的铝灰为原料，铁屑为澄清剂，在电弧炉中于1700～1800℃下冶炼6～8 h，降低SiO2、Fe2O3、TiO2等氧化物杂质含量，冷却后经粉碎、磁选和筛分得到最终产物。与其他制备棕刚玉的方法相比，该方法提高了产品的韧性、硬度和耐高温性能，而且资源利用率高，CO2排放量少，能有效减少环境污染。

3.2.2 利用铝灰制备氧化铝溶胶

氧化铝溶胶是一种无机高分子多价聚合物。作为氧化铝溶胶生产原料的金属铝价格昂贵，而且制备过程中会产生氢气，存在安全隐患。湖南晟通科技集团有限公司［11］利用铝灰为原料制备氧化铝溶胶。将铝灰添加到浓度为10%～30%（质量分数）的盐酸中，控制温度为70～100℃，持续搅拌2～10 h，陈化4～20 h后过滤；将过滤得到的溶液滴加浓度为1%～10%（质量分数）的氨水和助剂，控制温度为80～100℃，调节pH至8～9，搅拌30 min，陈化6～12 h后得到氧化铝凝胶。该方法不仅解决了铝灰难处理、难填埋的环境问题，还降低了氧化铝溶胶的制备成本。

3.2.3 利用铝灰合成油墨用氧化铝

油墨用氧化铝具有透明、结构软、密度小、印刷性能好等特点，通常用作油墨工业的填料。郭海军等［12］以二次铝灰、含铝废硫酸为原料制备了油墨用氧化铝。首先以含铝废硫酸和工业硫酸为原料制备液体硫酸铝，再以含铝废碱和含碱量为40%（质量分数）左右的工业氢氧化钠为原料制备偏铝酸钠溶液，最后将硫酸铝清液和偏铝酸钠澄清液混合反应，得到产物。该方法具有实际应用价值，解决了资源浪费和环境污染问题，具有环境和经济的双重效益。

3.2.4 利用铝灰制备镁铝尖晶石

镁铝尖晶石具有较高的耐火度，良好的抗侵蚀能力、抗磨蚀能力、抗剥落能力和抗渣性能，热稳定性好等特点。高玉成等［13］以铝灰为主要原料，经二次电熔烧结制备得到了镁铝尖晶石。其制备方法：在较低电场下，将铝灰、高铝矾土、铁屑、焦炭粉加入到电弧炉中，生成纯净的熔融态Al2O3；之后增加电场同时加入轻烧镁砂，在2200～2300℃的高温下合成镁铝尖晶石MgAlO4；最后保持高电场，精炼去杂。该方法成本低、能耗少，是一种性价比高的制备方法。钟鑫宇等［14］以铝灰和菱镁矿为原料，研究了不同煅烧温度对产物的组成、晶胞常数和微观结构的影响。结果表明，在1400℃煅烧制得的镁铝尖晶石晶胞常数最大，结构致密，晶粒均匀。

3.3 利用铝灰制备人造沸石

沸石是一种具有分子孔隙的矿物，具有吸附与离子交换的性质，是理想的净化材料。陈囿任［15］以铝渣为原料，采用水热法制备AlPO4-5型沸石材料，并探讨了各种因素对合成沸石的影响。具体步骤：将铝渣加入磷酸溶液，混合物持续搅1.5 h并加入三乙胺（TEA），其中TEA为有机模板，再搅拌1.5 h；合成凝胶后，转移到聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压釜中加热10 h；取出后干燥过滤，反应加热4 h除去TEA，并得到最终产物。

4 铝灰的综合回收利用

4.1 铝灰在建筑方面的应用

4.1.1 利用铝灰制备陶瓷清水砖

Xu Xiaohong等［16］以废铝灰为主要原料，添加不同的烧成助剂，通过压制成型的方法制备了高性能的陶瓷清水砖。结果表明，添加烧成助剂有效地降低了烧成温度，同时还促进了产物的致密化。该方法制备的产物不仅具有较高的吸水率、气孔率和强度，而且还具有良好的保温、隔热、隔音等性能。利用废铝灰不仅能制备性能良好的清水砖，降低了制备成本，还为铝灰的回收利用开辟了新途径。

4.1.2 利用铝灰等固废材料制备硫铝酸盐水泥

硫铝酸盐水泥具有高抗渗、高抗冻、耐腐蚀等优良性能。王文龙等［17］以脱碱赤泥、脱硫石膏、铝灰和电石渣4种固废为原料，采用“湿法粉磨-均化-压滤”的湿法工艺制备硫铝酸盐水泥生料。先利用湿法粉磨，在均化池中进行搅拌和成分校正，得到浆液；再经过压滤脱水得到生料；最后在回转窑中煅烧得到硫铝酸盐水泥熟料。研究发现，煅烧温度为1250～1300℃时效果最佳。

4.1.3 利用铝灰制备路用材料

袁向红等［18］以铝灰、石灰、统砂为原料制备路用材料，设计了正交方案，并做了无侧限抗压强度实验，研究原料不同配比对路用材料的影响。结果表明，铝废渣对强度的影响最大，其次是石灰和统砂，且统砂、铝灰和石灰最佳质量比为76∶17∶7。但在实地建设时，不同的交通负荷情况应对应不同的配比。以铝灰为原料用于路用材料，对大气还存在一定的污染，这有待进一步开展研究并克服。

4.2 铝灰在环境方面的应用

4.2.1 硫酸铝

硫酸铝是无机盐基本品种之一，常被作为絮凝剂用于提纯饮用水及污水处理设备当中。康文通等［19］以工业硫酸、铝灰为主要原料，将工业硫酸与铝灰在搅拌器中按相应次序放入，并加热到相应温度反应、搅拌，经过滤，收集滤液；再将滤液加热到80℃添加高锰酸钾和添加剂，煮沸30 min，冷却至50℃，过滤，将滤液浓缩，升温至119℃时，停止加热，经冷却、粉碎得到产物硫酸铝，回收率达93.2%。该方法工艺简单，成本低，具有良好的经济效益。

4.2.2 聚合氯化铝（PAC）

聚合氯化铝（PAC）是一种优良的无机高分子絮凝剂，适用于多种污水水质净化。胡保国等［20］以铝灰为原料通过酸溶法制备PAC，并采用正交实验获得了最佳工艺参数，制得的产物对废水的COD去除率高达64.7%。其主要制备方法：首先将铝灰用去离子水洗涤，并通过一系列工序得到上清液，加入适量盐酸在一定温度下熟化，待冷却抽滤后得到PAC初产品。再在60℃下加入适量生石灰，即可得到高盐基度的产物。该方法成本低，同时使得铝灰得到了高效的资源化利用。

4.2.3 聚合氯化铝铁（PAFC）

聚合氯化铝铁（PAFC）是一种新型无机高分子混凝剂，可用于多种废水的处理。韩文爱等［21］以铝灰和电镀废酸为主要原材料制备PAFC。具体方法：将水洗后的铝灰与盐酸混合，加热到相应温度反应，过滤掉沉淀物后得到液体氯化铝；用盐酸酸洗废液，通过加入适量盐酸使氢离子与亚铁离子物质的量比为1∶1，在一定温度下搅拌后加入适量催化剂溶液，同时通入氧气氧化，结束后进行减压浓缩，得到氯化铁溶液；最后将二者按一定配比和速度搅拌，同时加入氢氧化钠，加热到40～60℃反应一段时间，调节pH，随后加入稳定剂，搅拌、反应、陈化24 h，得到液体PAFC混凝剂，对其烘干保存，即可得到固体聚合氯化铝铁。

4.2.4 新型无机-有机高分子复合絮凝剂

陈仲清等［22］用超声分散的方法处理废铝渣，制备了一种新型复合絮凝剂（PAAM）。首先向废铝渣加入盐酸和磷酸，用超声波分散加热进行酸溶；降温至常温后，加入聚丙烯酰胺溶液（8000）沉淀抽滤；向滤液加入聚丙烯酰胺（12000）溶液和碳酸氢钠固体药品进行水解，得到产物。利用废铝渣制备的新型复合絮凝剂，色度去除率高达95%，CODCr去除率达到90%。均优于聚合氯化铝和聚合硫酸铁，具有广阔的发展前景。

4.3 铝灰在其他方面的应用

4.3.1 吸附剂

近年来，随着中国工业化的迅速发展，废水、废气和废渣的排放导致水环境和土壤环境遭到了严重的重金属污染，传统的处理方法通常是使用活性炭，但其成本较高。采用废弃的铝灰渣制备吸附剂代替高昂价格的活性炭，不仅能降低成本，同时避免了严重的环境污染。V.K.Gupta等［23］以铝灰为原料生产吸附剂代替活性炭。经过研究发现，这种新型的吸附剂效果明显，苯酚的去除率达到了98%。

4.3.2 炼钢脱硫剂

传统的炼钢脱硫剂主要是CaO-Al2O3复合脱硫剂，新型脱硫剂采用铝灰、石灰、萤石混合制备复合脱硫剂［24］。龚建森等［25］对铝灰复合脱硫剂在铸钢和铸铁的炉外脱硫作用和效果做了研究和分析。结果表明，添加了铝灰的脱硫剂其脱硫率达到30%～40%，对产物形态也起到了积极的作用，在减少退火时间的同时也提高了产物的机械性能。为铝灰在工业中的综合回收利用开辟了新的途径。

4.3.3 改质剂

李燕龙等［26］以铝灰、废钢、转炉渣、生石灰及萤石为原料。采用渣钢质量比为1∶10的比例将其置于坩埚中，加热至1600℃，再将混合均匀的铝灰、生石灰和萤石加入坩埚中，保温90 min后自然冷却，得到产物。以铝灰为原料制备改质剂，可降低渣钢氧化性。张梦显等［27］也做了相关的研究，利用工业废渣铝灰，采用高压成型工艺制备了熔渣改质剂，得到的产物质地坚硬、不破碎、无粉末，投入钢水时不起灰尘，有助于环保。转炉残渣中FeO含量平均去除率达到69.98%，可用于减少钢包渣中氧化铁含量和调整渣成分。

5 总结

随着资源短缺、环境污染等问题的出现，合理有效地回收处理铝灰是现在铝工业中亟需解决的重要课题，未来铝工业必将朝着低成本、低耗能和低污染的方向发展。目前，中国铝灰回收工艺仍处于初级阶段，这也预示着其巨大的发展潜力。实现铝灰的综合利用，不仅能解决铝灰直接堆放在工厂造成的资源浪费或直接填埋造成的环境污染，还能变废为宝，作为原料制备多种材料，降低产物成本，对社会和经济具有良好的效益，同时充分体现了绿色环保的理念，符合可持续发展的方针政策，对国民经济发展具有重大的意义。

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Present situation of high value recycling technology of aluminum ash

Guo Ran，Liu Xiongzhang，Li Qingda，Yi Xuemei
（School of Mechanical and Electronic Engineering，Northwest A&F University，Yangling 712100，China）

Aluminium ash is a kind of high-yield and serious-pollution industrial waste，mainly produces in the electrolysis and casting process.It has attracted wide attention due to it contains a large number of aluminium，alumina，and other valuable components.It can not only solve the problem of environmental pollution caused by the direct landfill，but also make effective use of resources，improve economic and social benefits，when the aluminum ash is recycled effectively.The different recycling processes and the recovery of valuable components using aluminium ash were summarized，especially the recovery of aluminium from aluminium ash and the preparation of various new materials from aluminium ash were detailed.Finally，the comprehensive utilization prospect of aluminum ash was discussed.

aluminium ash；new materials；utilization；recovery

TQ133.1

A

1006-4990（2017）11-0012-04

2017-05-17

郭冉（1991—），女，硕士研究生，主要从事氮化物陶瓷方面的研究。

衣雪梅

联系方式：xuemei_yi@nwsuaf.edu.cn