高純鋁灰堿性焙燒提取鋁研究①

2022-11-10 06:24:58李顏凌賀永東趙億坤陳長科

礦冶工程 2022年5期

李顏凌，賀永東，趙億坤，陳長科，何超

（1.新疆大學(xué)，新疆烏魯木齊 830046；2.新疆眾和股份有限公司，新疆烏魯木齊 830046）

鋁灰是鋁冶金過程中產(chǎn)生的一種危險(xiǎn)固體廢棄物，隨著我國鋁合金產(chǎn)量不斷增大，鋁灰產(chǎn)生量不斷上漲［1-2］。2021年我國鋁灰產(chǎn)生量就超過了300萬噸［3-4］。由于沒有較好的處理工藝，絕大部分鋁灰采用堆填的方式進(jìn)行處理。鋁灰中含有大量鋁，主要以Al、Al2O3、Al（OH）3、AlN、MgAl2O4等形式存在，前人對鋁灰中鋁的提取進(jìn)行了大量研究［5-9］，取得了一定成果。

堿性焙燒作為一種清潔高效處理技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜資源中兩性金屬資源轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苄喳}類，從而實(shí)現(xiàn)兩性金屬資源與其他組分分離。本文以高純鋁灰和氫氧化鈉為原料，采用XRD、SEM、EDS等手段研究高純鋁灰與氫氧化鈉焙燒反應(yīng)行為，并利用TG-DTG分析探索鋁灰高效清潔工藝和堿性焙燒反應(yīng)內(nèi)在機(jī)理，為高純鋁灰渣高值化綜合利用提供技術(shù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)原料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)原料為新疆眾和股份有限公司提供的-425 μm高純鋁灰，其化學(xué)成分如表1所示，XRD圖譜如圖1所示。

表1 高純鋁灰渣化學(xué)組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

從表1可知，高純鋁灰的主要元素為Al、O、F、Cl、Si、Fe、Mg等。從圖1可知，高純鋁灰的主要物相為Al、Al2O3、Al（OH）3、AlN、MgAl2O4等。高純鋁灰中Al2O3是鋁在冶煉過程中與空氣中的O2發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生的；AlN是鋁液在精煉過程中與保護(hù)氮?dú)夥磻?yīng)產(chǎn)生的；Al（OH）3是鋁灰吸收空氣中的水分反應(yīng)生成的；而MgAl2O4是鋁液中夾雜的Mg與鋁在氧氣下反應(yīng)得到的。

圖1 高純鋁灰XRD分析

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

在堿性焙燒高純鋁灰過程中，鋁灰中的Al、Al2O3、AlN在空氣中能夠與高溫下熔化的NaOH發(fā)生反應(yīng)，生成偏鋁酸鈉。且在高溫條件下Al（OH）3會(huì)發(fā)生分解反應(yīng)，分解形成的Al2O3也會(huì)與NaOH發(fā)生反應(yīng)。堿性焙燒過程中主要化學(xué)反應(yīng)如下：

通過HSC-Chemistry6.0軟件對堿性焙燒高純鋁灰的主要化學(xué)反應(yīng)式（1）～（4）進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算，結(jié)果如圖2所示。

圖2 高純鋁灰堿性焙燒過程中ΔG-T關(guān)系圖

由圖2可知，高純鋁灰堿性焙燒過程中主要化學(xué)反應(yīng)的吉布斯自由能值均小于0，表明在350～600℃范圍內(nèi)上述反應(yīng)都能自發(fā)進(jìn)行。

按高純鋁灰、氫氧化鈉質(zhì)量比1∶1混合，在升溫速率15℃／min、空氣氣氛中進(jìn)行TG-DTG測試，升溫范圍25～600℃，TG-DTG曲線如圖3所示。升溫結(jié)束后，體系剩余總質(zhì)量約為原始質(zhì)量的86.8%，質(zhì)量減損主要是水分揮發(fā)、焙燒反應(yīng)引起的。

圖3 高純鋁灰堿性焙燒TG-DTG曲線

39.43～118.89℃時(shí)，主要發(fā)生混合物中的水分揮發(fā)，該過程需要克服的反應(yīng)阻力能壘較低；119.02～203.37℃時(shí)，主要反應(yīng)為氫氧化鋁分解反應(yīng)和氧化鋁、氫氧化鈉反應(yīng)，該過程需要克服一定的反應(yīng)阻力能壘才能發(fā)生；279.05～359.60℃時(shí)，主要發(fā)生AlN、氧氣與氫氧化鈉的反應(yīng)，該過程需要克服較大的反應(yīng)阻力能壘，需要較高的能量才能發(fā)生。因此，提高焙燒溫度可以加快高純鋁灰與氫氧化鈉反應(yīng)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

采用去離子水對-425 μm高純鋁灰進(jìn)行水洗，過濾烘干；將20 g水洗干燥后的鋁灰與氫氧化鈉按一定質(zhì)量比充分混勻后，置于坩堝中，放入一體式馬弗爐內(nèi)在一定溫度下進(jìn)行焙燒，達(dá)到預(yù)設(shè)溫度后，保溫焙燒一段時(shí)間，隨爐冷卻得到焙燒鋁灰；然后進(jìn)行水浸，水浸條件為浸出溫度25℃、浸出時(shí)間60 min、液固比10∶1；水浸完成后抽濾，將抽濾后的固體放入100℃的電熱干燥箱中干燥，稱重，計(jì)算堿性焙燒產(chǎn)物鋁浸出率：

式中X為鋁元素浸出率，%；M0為高純鋁灰質(zhì)量，g；M1為水洗-干燥渣質(zhì)量，g；C0為高純鋁灰中鋁含量，%；C1為水洗-干燥渣中鋁含量，%。

1.4 實(shí)驗(yàn)儀器與試劑

主要試劑為氫氧化鈉（分析純）；實(shí)驗(yàn)用水為去離子水（自制）。

主要設(shè)備為202-S電熱恒溫干燥箱、SU8010場發(fā)射掃描電鏡、D8 Advance XRD衍射儀、Fluorolog-3-21-TCSPC X射線熒光光譜儀、Z8000電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜、Scout SE電子天平、WB100-1恒溫水浴鍋、JJ-1100W電動(dòng)攪拌器、SG-XL1800高溫電阻爐等。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焙燒工藝參數(shù)對鋁浸出率的影響

2.1.1 焙燒溫度對鋁浸出率的影響

堿灰比1.0、焙燒時(shí)間60 min條件下，焙燒溫度對堿性焙燒高純鋁灰水浸時(shí)鋁浸出率的影響見圖4。由圖4可知，隨著焙燒溫度升高，鋁浸出率線性增加，焙燒溫度600℃時(shí)，鋁浸出率最高，為78.95%；之后再升高焙燒溫度，鋁浸出率反而下降。

圖4 焙燒溫度對鋁浸出率的影響

提高焙燒溫度，可以提高樣品中Al、Al2O3、AlN等分子的能量，加快Al、Al2O3、AlN等鋁化物與NaOH的反應(yīng)速率，反應(yīng)得到更多NaAlO2，提高鋁浸出率；但溫度超過600℃，鋁灰會(huì)發(fā)生過燒現(xiàn)象（鋁灰燒結(jié)結(jié)塊），進(jìn)而使浸出率下降。選擇焙燒溫度為600℃。

2.1.2 焙燒時(shí)間對鋁浸出率的影響

焙燒溫度600℃、堿灰比1.0條件下，焙燒時(shí)間對水浸時(shí)鋁浸出率的影響見圖5。由圖5可知，隨著焙燒時(shí)間延長，鋁浸出率不斷提高；焙燒時(shí)間達(dá)到60 min后，再延長焙燒時(shí)間，鋁浸出率變化不大。綜合考慮，選擇焙燒時(shí)間60 min。

圖5 焙燒時(shí)間對鋁浸出率的影響

2.1.3 堿灰比對鋁浸出率的影響

焙燒溫度600℃、焙燒時(shí)間60 min條件下，堿灰比對水浸時(shí)鋁浸出率的影響見圖6。由圖6可見，隨著堿灰比上升，鋁浸出率呈線性上漲，堿灰比1.0時(shí)，鋁浸出率最高，達(dá)到78.95%。

圖6 堿灰比對鋁浸出率的影響

隨著堿灰比升高，NaOH比例增加，產(chǎn)生NaAlO2的速率加快，但在600℃下NaOH會(huì)融化，這樣隨著堿灰比上升，反應(yīng)物黏度會(huì)增加，阻礙反應(yīng)發(fā)生。選擇堿灰比為1.0。

2.1.4 優(yōu)化條件實(shí)驗(yàn)

通過單因素實(shí)驗(yàn)，得到適宜的焙燒工藝參數(shù)為：焙燒溫度600℃、焙燒時(shí)間60 min、堿灰比1.0，該條件下所得焙燒礦在浸出溫度25℃、液固比10∶1、浸出時(shí)間60 min條件下水浸，鋁浸出率為78.95%。

2.2 焙燒產(chǎn)物物性分析

圖7為高純鋁灰在優(yōu)化條件下堿性焙燒后焙燒產(chǎn)物的XRD圖譜。由圖7可見，焙燒渣的物相為NaAlO2、Al2O3。表明在600℃進(jìn)行堿性焙燒，鋁灰中Al、Al2O3、Al（OH）3、AlN等鋁成分能夠轉(zhuǎn)化為NaAlO2。焙燒產(chǎn)物中依然存在少量Al2O3，這是由于鋁灰中存在α-Al2O3，α-Al2O3是一種惰性氧化鋁，難以與堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。

圖7 焙燒產(chǎn)物XRD圖譜

高純鋁灰在優(yōu)化條件下堿性焙燒后焙燒產(chǎn)物的SEM-EDS譜圖如圖8所示。從圖8（a）看出，焙燒渣主要為不規(guī)則顆粒形狀，且存在很明顯的孔洞；從圖8（b）可知，Na元素含量比Al元素含量低，表明NaOH熔化后與鋁灰中Al組分發(fā)生反應(yīng)?？锥词茿lN、NaOH與空氣中的氧氣反應(yīng)排出NO氣體產(chǎn)生的。結(jié)合XRD圖譜，可知該處顆粒為NaAlO2、Al2O3、MgAl2O4、NaCl形成的混合物。EDS圖譜中位于0.1 keV處的峰為SEM分析時(shí)噴金造成的Pt峰。