高纯铝灰碱性焙烧提取铝研究①

2022-11-10李颜凌贺永东赵亿坤陈长科

矿冶工程 2022年5期

李颜凌，贺永东，赵亿坤，陈长科，何超

（1.新疆大学，新疆乌鲁木齐 830046；2.新疆众和股份有限公司，新疆乌鲁木齐 830046）

铝灰是铝冶金过程中产生的一种危险固体废弃物，随着我国铝合金产量不断增大，铝灰产生量不断上涨［1-2］。2021年我国铝灰产生量就超过了300万吨［3-4］。由于没有较好的处理工艺，绝大部分铝灰采用堆填的方式进行处理。铝灰中含有大量铝，主要以Al、Al2O3、Al（OH）3、AlN、MgAl2O4等形式存在，前人对铝灰中铝的提取进行了大量研究［5-9］，取得了一定成果。

碱性焙烧作为一种清洁高效处理技术，可以实现复杂资源中两性金属资源转变为可溶性盐类，从而实现两性金属资源与其他组分分离。本文以高纯铝灰和氢氧化钠为原料，采用XRD、SEM、EDS等手段研究高纯铝灰与氢氧化钠焙烧反应行为，并利用TG-DTG分析探索铝灰高效清洁工艺和碱性焙烧反应内在机理，为高纯铝灰渣高值化综合利用提供技术支持。

1 实验原料与方法

1.1 实验原料

实验原料为新疆众和股份有限公司提供的-425 μm高纯铝灰，其化学成分如表1所示，XRD图谱如图1所示。

表1 高纯铝灰渣化学组成（质量分数） %

从表1可知，高纯铝灰的主要元素为Al、O、F、Cl、Si、Fe、Mg等。从图1可知，高纯铝灰的主要物相为Al、Al2O3、Al（OH）3、AlN、MgAl2O4等。高纯铝灰中Al2O3是铝在冶炼过程中与空气中的O2发生反应产生的；AlN是铝液在精炼过程中与保护氮气反应产生的；Al（OH）3是铝灰吸收空气中的水分反应生成的；而MgAl2O4是铝液中夹杂的Mg与铝在氧气下反应得到的。

图1 高纯铝灰XRD分析

1.2 实验原理

在碱性焙烧高纯铝灰过程中，铝灰中的Al、Al2O3、AlN在空气中能够与高温下熔化的NaOH发生反应，生成偏铝酸钠。且在高温条件下Al（OH）3会发生分解反应，分解形成的Al2O3也会与NaOH发生反应。碱性焙烧过程中主要化学反应如下：

通过HSC-Chemistry6.0软件对碱性焙烧高纯铝灰的主要化学反应式（1）～（4）进行热力学计算，结果如图2所示。

图2 高纯铝灰碱性焙烧过程中ΔG-T关系图

由图2可知，高纯铝灰碱性焙烧过程中主要化学反应的吉布斯自由能值均小于0，表明在350～600℃范围内上述反应都能自发进行。

按高纯铝灰、氢氧化钠质量比1∶1混合，在升温速率15℃／min、空气气氛中进行TG-DTG测试，升温范围25～600℃，TG-DTG曲线如图3所示。升温结束后，体系剩余总质量约为原始质量的86.8%，质量减损主要是水分挥发、焙烧反应引起的。

图3 高纯铝灰碱性焙烧TG-DTG曲线

39.43～118.89℃时，主要发生混合物中的水分挥发，该过程需要克服的反应阻力能垒较低；119.02～203.37℃时，主要反应为氢氧化铝分解反应和氧化铝、氢氧化钠反应，该过程需要克服一定的反应阻力能垒才能发生；279.05～359.60℃时，主要发生AlN、氧气与氢氧化钠的反应，该过程需要克服较大的反应阻力能垒，需要较高的能量才能发生。因此，提高焙烧温度可以加快高纯铝灰与氢氧化钠反应。

1.3 实验方法

采用去离子水对-425 μm高纯铝灰进行水洗，过滤烘干；将20 g水洗干燥后的铝灰与氢氧化钠按一定质量比充分混匀后，置于坩埚中，放入一体式马弗炉内在一定温度下进行焙烧，达到预设温度后，保温焙烧一段时间，随炉冷却得到焙烧铝灰；然后进行水浸，水浸条件为浸出温度25℃、浸出时间60 min、液固比10∶1；水浸完成后抽滤，将抽滤后的固体放入100℃的电热干燥箱中干燥，称重，计算碱性焙烧产物铝浸出率：

式中X为铝元素浸出率，%；M0为高纯铝灰质量，g；M1为水洗-干燥渣质量，g；C0为高纯铝灰中铝含量，%；C1为水洗-干燥渣中铝含量，%。

1.4 实验仪器与试剂

主要试剂为氢氧化钠（分析纯）；实验用水为去离子水（自制）。

主要设备为202-S电热恒温干燥箱、SU8010场发射扫描电镜、D8 Advance XRD衍射仪、Fluorolog-3-21-TCSPC X射线荧光光谱仪、Z8000电感耦合等离子体原子发射光谱、Scout SE电子天平、WB100-1恒温水浴锅、JJ-1100W电动搅拌器、SG-XL1800高温电阻炉等。

2 实验结果与分析

2.1 焙烧工艺参数对铝浸出率的影响

2.1.1 焙烧温度对铝浸出率的影响

碱灰比1.0、焙烧时间60 min条件下，焙烧温度对碱性焙烧高纯铝灰水浸时铝浸出率的影响见图4。由图4可知，随着焙烧温度升高，铝浸出率线性增加，焙烧温度600℃时，铝浸出率最高，为78.95%；之后再升高焙烧温度，铝浸出率反而下降。

图4 焙烧温度对铝浸出率的影响

提高焙烧温度，可以提高样品中Al、Al2O3、AlN等分子的能量，加快Al、Al2O3、AlN等铝化物与NaOH的反应速率，反应得到更多NaAlO2，提高铝浸出率；但温度超过600℃，铝灰会发生过烧现象（铝灰烧结结块），进而使浸出率下降。选择焙烧温度为600℃。

2.1.2 焙烧时间对铝浸出率的影响

焙烧温度600℃、碱灰比1.0条件下，焙烧时间对水浸时铝浸出率的影响见图5。由图5可知，随着焙烧时间延长，铝浸出率不断提高；焙烧时间达到60 min后，再延长焙烧时间，铝浸出率变化不大。综合考虑，选择焙烧时间60 min。

图5 焙烧时间对铝浸出率的影响

2.1.3 碱灰比对铝浸出率的影响

焙烧温度600℃、焙烧时间60 min条件下，碱灰比对水浸时铝浸出率的影响见图6。由图6可见，随着碱灰比上升，铝浸出率呈线性上涨，碱灰比1.0时，铝浸出率最高，达到78.95%。

图6 碱灰比对铝浸出率的影响

随着碱灰比升高，NaOH比例增加，产生NaAlO2的速率加快，但在600℃下NaOH会融化，这样随着碱灰比上升，反应物黏度会增加，阻碍反应发生。选择碱灰比为1.0。

2.1.4 优化条件实验

通过单因素实验，得到适宜的焙烧工艺参数为：焙烧温度600℃、焙烧时间60 min、碱灰比1.0，该条件下所得焙烧矿在浸出温度25℃、液固比10∶1、浸出时间60 min条件下水浸，铝浸出率为78.95%。

2.2 焙烧产物物性分析

图7为高纯铝灰在优化条件下碱性焙烧后焙烧产物的XRD图谱。由图7可见，焙烧渣的物相为NaAlO2、Al2O3。表明在600℃进行碱性焙烧，铝灰中Al、Al2O3、Al（OH）3、AlN等铝成分能够转化为NaAlO2。焙烧产物中依然存在少量Al2O3，这是由于铝灰中存在α-Al2O3，α-Al2O3是一种惰性氧化铝，难以与碱性物质发生反应。

图7 焙烧产物XRD图谱

高纯铝灰在优化条件下碱性焙烧后焙烧产物的SEM-EDS谱图如图8所示。从图8（a）看出，焙烧渣主要为不规则颗粒形状，且存在很明显的孔洞；从图8（b）可知，Na元素含量比Al元素含量低，表明NaOH熔化后与铝灰中Al组分发生反应。孔洞是AlN、NaOH与空气中的氧气反应排出NO气体产生的。结合XRD图谱，可知该处颗粒为NaAlO2、Al2O3、MgAl2O4、NaCl形成的混合物。EDS图谱中位于0.1 keV处的峰为SEM分析时喷金造成的Pt峰。