楊 娜，朱 山，李 松

（六盤水師范學(xué)院，貴州 六盤水 553000）

鋁灰是冶煉過程中產(chǎn)生于轉(zhuǎn)爐鹽層下部，由氧化鋁、金屬鋁和其他雜質(zhì)形成成分復(fù)雜的鹽渣[1，2]。近年來，我國鋁工業(yè)迅猛發(fā)展，產(chǎn)量持續(xù)增長，已成為世界主要的鋁生產(chǎn)國[3]。煉鋁時產(chǎn)生的大量鋁灰，主要來源于電解鋁廠、再生鋁廠等鋁冶煉企業(yè)。這些鋁灰堆積在廠區(qū)或填埋，不僅造成資源的浪費，同時也帶來環(huán)境的污染，因此加強對鋁灰的再利用已勢在必行[4，5]。

鋁灰的處理和再利用是鋁工業(yè)生產(chǎn)鏈中的最后一環(huán)，是公認(rèn)的世界性難題[6，7]。目前鋁灰的處理方式主要以堆存為主，不僅占用大量土地，鋁灰內(nèi)含有的有害物質(zhì)對人氣健康及生態(tài)環(huán)境安全造成嚴(yán)重的威脅[8-10]。由于鋁灰中含有較多的金屬鋁和氧化鋁，是一種具有綜合利用價值的工業(yè)廢棄物。因此，提高鋁綜合回收利用率，實現(xiàn)鋁灰有價組分回收及資源化利用是落實循環(huán)經(jīng)濟、節(jié)能減排正常的要求，是建設(shè)生態(tài)文明的重要保障措施；同時，鋁灰的回收及資源化處理可以降低鋁灰的處理成本和減少對環(huán)境的污染[2]。根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研表明，目前鋁灰處理可分為有價組分提純法和殘渣整體資源化，提純法主要有金屬鋁、氧化鋁氫氣和氯鹽等組分，資源化制備建材耐火材料及其他材料。為了進(jìn)一步提升鋁灰的資源化利用水平，一些新的鋁灰利用方式不斷被開發(fā)。因此，本文采用鋁灰制備Al2(SO4)3，為鋁灰的工業(yè)化應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

1 試驗部分

1.1 實驗樣品的準(zhǔn)備

對某企業(yè)提供的鋁灰樣品進(jìn)行篩選、磨礦到一定粒度（80目），并采用X射線熒光光譜分析（XRF）對樣品進(jìn)行成分表征，其結(jié)果見表1。其中鋁主要以氧化鋁形態(tài)存在，鈣主要以硅酸鈣(2CaO?SiO2)形態(tài)存在。

表1 某企業(yè)鋁灰成分

1.2 分析和表征方法

本文中所有的樣品成分分析均采用X射線熒光光譜分析儀（Super mini200日本理學(xué)株式會社XRF）進(jìn)行表征，樣品物相分析采用X射線衍射儀（SHIMADZU Lab XRD-6100）進(jìn)行表征。本文中樣品的浸出率通過對比原料中鋁的含量和浸出渣中鋁的含量得出。

1.3 試驗原理和方法

為了提高鋁灰中鋁的回收鋁，本文中采用如下工藝從鋁灰中回收硫酸鋁（其工藝流程如圖1所示）。其中浸出過程中主要化學(xué)反應(yīng)為：Al2O3+3H2SO4→Al2(SO4)3+3H2O；水解沉淀過程中主要的化學(xué)反應(yīng)為：Al2(SO4)3+18H2O→Al2(SO4)3?18H2O↓。

圖1 鋁灰中回收硫酸鋁的工藝流程

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 硫酸濃度對鋁灰中鋁的浸出率的影響

為了考察浸出劑硫酸濃度對鋁灰中鋁浸出率的影響，維持固液比為1:10（g/v），鋁灰取用10g，浸出時間為30min，浸出攪拌強度為200r/min，浸出溫度為20℃，分別改變浸出劑中硫酸濃度為5%、10%、15%、20%、25%。其結(jié)果見圖2。

圖2 浸出劑硫酸濃度對鋁灰中鋁浸出率的影響

由圖2實驗結(jié)果可知，當(dāng)浸出劑硫酸濃度小于15%時，鋁的浸出率隨著硫酸濃度的升高逐漸增大，但是浸出劑硫酸濃度超過15%時鋁的浸出率反而有所下降低。實驗中我們還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)浸出劑硫酸濃度超過15%時，固液分離過濾時極困難，這可能是由于硫酸濃度過大導(dǎo)致浸出過程中礦物粒度過小，從而導(dǎo)致浸出渣中鋁的損失增大，因此我們選擇最佳的浸出劑濃度為15%的硫酸。

2.2 攪拌強度對鋁灰中鋁的浸出率的影響

為了考察浸出攪拌強度對鋁灰中鋁浸出率的影響，維持固液比為1:10（g/v），鋁灰取用10g，浸出時間為30min，浸出劑硫酸濃度為15%，浸出溫度為20℃，分別改變浸出攪拌強度為100r/min、200r/min、300r/min、400r/min、500r/min。其結(jié)果見圖3。

由圖3實驗結(jié)果可知，隨著浸出攪拌強度的增大，鋁灰中鋁浸出率整體呈增大趨勢，但是當(dāng)攪拌強度達(dá)到300r/min時，攪拌強度再增大鋁的浸出率增大不明顯。這可能是由于攪拌強度較小時，浸出過程處于擴散控制階段，隨著攪拌強度的增大，浸出過程逐漸由擴散控制變?yōu)榛瘜W(xué)反應(yīng)控制階段，所以當(dāng)攪拌強度超過300r/min時再增大攪拌強度其浸出速率變化很小。因此，綜合考慮我們選擇最佳的攪拌強度為300r/min。

圖3 浸出攪拌強度對鋁灰中鋁浸出率的影響

2.3 浸出溫度對鋁灰中鋁的浸出率的影響

為了考察浸出溫度對鋁灰中鋁浸出率的影響，維持固液比為1:10（g/v），鋁灰取用10g，浸出時間為30min，浸出劑硫酸濃度為15%，浸出攪拌強度為300r/min，分別改變浸出溫度為20℃、30℃、40℃、50℃、60℃。其結(jié)果見圖4。

圖4 浸出溫度對鋁灰中鋁浸出率的影響

由圖4實驗結(jié)果可知，鋁灰中鋁的浸出率隨著浸出溫度的升高整體上呈現(xiàn)增大的趨勢，但浸出溫度從20℃升高到60℃，其浸出率增大值僅為9.47%，浸出率增大效果不是很明顯。我們知道升高化學(xué)反應(yīng)的溫度，其化學(xué)反應(yīng)速率會增大，但此浸出反應(yīng)中浸出速率增大效果不明顯，因此綜合考慮化學(xué)反應(yīng)速率、能耗等方面的因素，我們選擇最佳的浸出溫度為40℃。

2.4 固液比對鋁灰中鋁的浸出率的影響

為了考察浸出固液比對鋁灰中鋁浸出率的影響，維持浸出溫度為40℃，鋁灰取用10g，浸出時間為30min，浸出劑硫酸濃度為15%，浸出攪拌強度為300r/min，分別改變浸出固液比為1:5、1:10、1:15、1:20、1:25。其結(jié)果見圖5。

由圖5實驗結(jié)果可知，隨著浸出固液比的增大，鋁灰中鋁的浸出率逐漸增大，當(dāng)固液比達(dá)到1:10之后，鋁浸出率隨著固液比增大趨勢逐漸減小。這可能是由于隨著固液比的增大，礦漿逐漸稀釋，導(dǎo)致浸出劑分子與礦物顆粒之間的接觸幾率減小所致。因此，綜合考慮鋁的浸出率、浸出液后續(xù)處理負(fù)擔(dān)我們選擇最佳的浸出固液比為1:10。

圖5 浸出固液比對鋁灰中鋁浸出率的影響

2.5 浸出時間對鋁灰中鋁的浸出率的影響

為了考察浸出時間對鋁灰中鋁浸出率的影響，維持浸出溫度為40℃，鋁灰取用10g，浸出劑硫酸濃度為15%，浸出攪拌強度為300r/min，分別改變浸出時間為30min、60min、90min、120min、150min。其結(jié)果見圖6。

圖6 浸出固液比對鋁灰中鋁浸出率的影響

如圖6所示，鋁灰中鋁的浸出率隨著浸出時間的增大逐漸增大，當(dāng)浸出時間達(dá)到90min時，其浸出率隨浸出時間的增大趨勢減小。因此，我們綜合考慮效率、能耗等方面的因素，選擇最佳的浸出時間為90min。最后我們在最佳浸出工藝條件下，即浸出劑濃度為15%的硫酸、浸出溫度為40℃、浸出時間為90min、浸出攪拌強度為300r/min、固液比為1:10。在最佳的浸出工藝條件下，重復(fù)三次浸出試驗鋁灰中鋁的最佳浸出率可達(dá)到90.12%。另外，為了提高鋁灰中鋁的直收率，需要加入過量的（15ml）5%過氧化氫，以氧化其中的雜質(zhì)，并嚴(yán)格控制終點pH值為4.3，通過水解沉淀除去其中的Fe3+、Ca2+等雜質(zhì)，最終鋁灰中鋁的直收率可以達(dá)到89%。

2.6 產(chǎn)物硫酸鋁表征

產(chǎn)品硫酸鋁我們通過元素分析和XRD分析。元素分析理論值(%)Al2(SO4)3?18H2O：Al，8.10；H，5.41；S，14.41；實驗值：Al，7.92；H，5.15；S，13.87。XRD分析檢測結(jié)果如圖7所示。根據(jù)樣品XRD衍射圖譜和硫酸鋁XRD標(biāo)準(zhǔn)卡片對比，并結(jié)合元素分析結(jié)果，我們所獲得的產(chǎn)品為Al2(SO4)3?18H2O，其純度可達(dá)到95%以上。

3 結(jié)論

本項目以鋁灰為原料，采用“硫酸浸出—水解沉淀—結(jié)晶”工藝從鋁灰中回收硫酸。綜合考察了浸出過程中浸出溫度、攪拌強度、浸出時間、固液比、硫酸濃度等因素對其浸出率的影響。實驗結(jié)果表明，該工藝從鋁灰中回收硫酸鋁，浸出過程中最佳浸出參數(shù)為浸出劑濃度為15%的硫酸、浸出溫度為40℃、浸出時間為90min、浸出攪拌強度為300r/min、固液比為1：10，重復(fù)試驗鋁灰中鋁的最佳浸出率可達(dá)到90.12%。元素分析和X射線衍射分析表明產(chǎn)品硫酸鋁中產(chǎn)物為Al2(SO4)3?18H2O。