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碱法焙烧脱除二次铝灰中的氟、氯元素及铝的回收

2019-06-24张宁燕

新疆有色金属 2019年2期
关键词:碳酸钠X射线产物

张宁燕

(云南湖柏环保科技有限公司 昆明 650034)

铝灰是电解铝或铸造铝生产工艺中产生的熔渣经冷却加工后的产物,主要由金属铝、氧化物、盐溶剂组成。根据铝灰中铝的含量可将其分为一次铝灰和二次铝灰,一次铝灰一般呈灰白色,在电解原铝及铸造等不添加盐溶剂的过程中产生,主要成分为单质铝和铝的氧化物,含铝15%~70%[1];二次铝灰是经盐浴处理回收一次铝灰所产生的废物,主要由氯化钠、氯化钾、氟化物、氧化铝和铝的化合物组成,铝含量较一次铝灰低,含铝12%~30%[1-2]。由于二次铝灰的有害杂质多、铝含量低、处理难度大,因而一般采用堆存或填埋的方式处理,这造成了铝资源的严重浪费,若处理不当,还会导致二次铝灰中的氟、氯等有害元素污染环境[3]。

本文采用碱溶法对二次铝灰进行处理,在脱除有害元素氟、氯的情况下,同时回收二次铝灰中的铝资源。碱熔法是将铝灰与碱混合后进行焙烧,焙烧过程中,二次铝灰中的氟、氯元素会挥发进入废气中,铝灰中的铝转化为可溶性的铝酸盐,用水或稀碱溶液溶出焙烧产物后得到铝酸钠溶液。

1 实验

1.1 实验原料

实验所用原料为某电解铝厂经过金属铝回收后的二次铝灰,实验所用的其它试剂均为分析纯,实验用水为去离子水。

对二次铝灰原料进行X射线荧光光谱(XRF)分析(表1)可知,二次铝灰中的主要元素为Al、Ca、Na、F、Si等元素,另外还含有少量的Cl、Cu、Ga、Mn、Ni、P、S、Zn、V和Zr等元素。XRD物相分析表明:二次铝灰中的主要物相为Al、AlN、Al2O3、NaCl、Na3AlF6、

MgAl2O4、Si、SiO2,由于表1中的其它元素丰度太低,未能检出。

图1 实验用二次铝灰的XRD谱图

1.2 实验仪器

马弗炉(RJF-15-10)、旋片式真空泵(2XZ-0.5)、恒温干燥箱(DHG-9031A)、电子天平(FA-N/JA-N)、水浴锅(HHS-4)、电感耦合等离子体原子发射光谱分析仪(ICP—AES)、X射线荧光光谱仪(XRF)、X射线衍射仪(XRD)。

表1 二次铝灰中的主要元素含量

1.3 实验方法

焙烧:称取一定量的铝灰和碳酸钠充分混合后在一定的温度下焙烧;

冷却:焙烧产物经自然冷却后取出;

氟、氯元素测定:对焙烧产物中的氟、氯元素进行测定,计算氟、氯的脱除效率;

水浸:用一定量的去离子水在一定温度下浸出焙烧产物中的铝酸钠;

固液分离:水浸完成后,采用真空泵进行抽滤,实现固液分离,并分析滤液中铝元素的含量,然后计算铝溶出率。

2 结果与讨论

2.1 二次铝灰的热分析

为了初步确定铝灰无害化处理的焙烧温度,热重-差热分析(TG-DSC)被执行。实验的热分析结果如图2所示。

图2 二次铝灰的热分析谱图

由图2知,DSC曲线上共出现了6个吸热峰,峰值温度为236.9℃的吸热峰,对应着二次铝灰的分解反应;峰值温度为574.9℃的尖锐吸热反应峰,与二次铝灰的相变反应有关;峰值温度为655.4℃的尖锐吸热反应峰,表明二次铝灰再次发生了相变;峰值温度分别为702.2℃和744.1℃的两宽化吸热反应峰,与二次铝灰的相变反应有关;峰值温度为1019.4℃的宽化吸热反应峰,对应着较大的分解反应。

TG曲线在40℃~193.1℃温度段增重0.13%,在193.1℃~254.0℃温度段失重 0.23℃,在 254.0℃~837.2℃温度范围内增重1.47%,在837.2℃~1086.4℃温度范围内失重9.80%,在1086.4℃~1200℃温度段失重1.59%。总失重11.62%。

综合热分析结果,焙烧温度初步确定在700℃~1300℃之间。

2.2 焙烧温度对氟、氯脱除率的影响

称取一定的二次铝灰,然后按质量比m(Na2CO3):m(二次铝灰)=1.1:1的比例加入Na2CO3,充分混合均匀后,在马弗炉中焙烧4h。图3展示了焙烧温度对氟、氯脱除率的影响规律。

图3 焙烧温度对氟、氯元素脱除率的影响

由图3可知,随着焙烧温度的增加,氟、氯元素的脱除率先增加后趋于稳定。当温度从700℃增加至1200℃,氯元素的脱除率从94.26%增加至98.78%,氟元素的脱除率从60.3%增加至94.26%,继续增加焙烧温度,氟、氯元素的脱除率基本保持不变。

2.3 焙烧时间对氟、氯脱除率的影响

为了研究焙烧时间对氟、氯脱除率的影响,实验在 m(Na2CO3):m(二次铝灰)=1.1:1,焙烧温度为1200℃的条件进行。图4展示焙烧时间对氟、氯脱除率的影响规律。

图4 焙烧时间对氟、氯元素脱除率的影响

由图4知,随着焙烧时间的增加,氟、氯元素的脱除率先增加后趋于稳定,焙烧时间达到6h,氯的脱除率最大,为99.75%。焙烧时间达到4h,氟的脱除率最高,为94.3%。综合考虑,焙烧时间确定为4h。

2.4 焙烧产物的浸出

为了实现焙烧产物中铝资源的利用,选取碳酸钠与二次铝灰质量比1.1:1焙烧温度1200℃、焙烧时间4h下所焙烧的产物作为铝浸出实验物料。浸出实验在离子水与焙烧产物的质量比5:1、浸出温度80℃、浸出时间1h的条件下执行,通过测定浸出液中铝含量后,经计算铝的溶出率约为90%。

3 结论

(1)采用碱熔法对二次铝灰进行处理,在焙烧温度1200℃、焙烧时间4h、碳酸钠与二次铝灰的质量比1.1:1的条件下,氟的脱除率最高,为94.3%;在焙烧温度1200℃、焙烧时间6h、碳酸钠与二次铝灰的质量比1.1:1的条件下,氯的脱除率最高,为99.75%。

(2)采用m(Na2CO3):m(二次铝灰)=1.1:1、焙烧温度1200℃、焙烧时间4h下的焙烧产物进行铝的浸出,在液固质量比5:1、浸出温度80℃、浸出时间1h的条件下执行,铝的浸出率约为90%。

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