碱法焙烧脱除二次铝灰中的氟、氯元素及铝的回收

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%。