巨婷婷，李小東，方阿祥，李剛剛

(蘭州理工大學(xué)技術(shù)工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

鋁灰是鋁電解、鋁加工等鋁冶煉加工過(guò)程中產(chǎn)生的危險(xiǎn)廢棄物，含鋁量10%～80%[1]。據(jù)報(bào)道[2]，生產(chǎn)每噸鋁平均產(chǎn)生15～25 kg鋁灰，因此，世界上每年有數(shù)百萬(wàn)噸的鋁灰產(chǎn)生。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年產(chǎn)生的鋁灰量將達(dá)112～180萬(wàn)噸[3]。粉煤灰是燃煤火力發(fā)電的固體廢棄物，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)到2020年，我國(guó)粉煤灰的年總排放量將達(dá)到了30億噸[4]，如此多的鋁灰和粉煤灰會(huì)污染大氣、水體，占用大量土地資源。氧化鋁因其具有良好的熱穩(wěn)定性、電阻高、多孔結(jié)構(gòu)好、良好的催化活性，廣泛引用于熱加工、半導(dǎo)體、陶瓷工藝、催化工藝等多個(gè)領(lǐng)域[5]。因此，有效利用鋁灰和粉煤灰制備氧化鋁，不僅減少資源浪費(fèi)和環(huán)境污染，而且從鋁灰中回收鋁及其他元素，充分合理利用，對(duì)提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值[6]。

1 粉煤灰、鋁灰制備氧化鋁的工藝

粉煤灰和鋁灰制備氧化鋁的工藝一般可以概括成反應(yīng)、浸出、除雜、轉(zhuǎn)化四部分。反應(yīng)部分是用酸、堿、堿式鹽在一定條件下將粉煤灰、鋁灰中的鋁轉(zhuǎn)化為可溶性鋁鹽。浸出部分是將可溶性鹽溶解提純。除雜部分是在一定條件下除去粉煤灰和鋁灰中的Fe、Ti、Mg、Si等雜質(zhì)。轉(zhuǎn)化部分是將提純的可溶性鹽進(jìn)一步處理成氧化鋁。

1.1 酸 法

潛在鋁資源和一定濃度的酸反應(yīng)，Al以可溶性鋁鹽浸出，直接煅燒得氧化鋁粉末，或者用溶出液與銨鹽溶液反應(yīng)，生成前驅(qū)體，然后煅燒就可得到Al2O3粉末。

任根寬[7]報(bào)道了用粉煤灰和石灰石為原料提取鋁鐵工藝。粉煤灰與石灰石的質(zhì)量比為2.5、焙燒溫度850 ℃、燒成時(shí)間為2 h、CaF2用量為生料的1%，液固比3.5，用濃度為7 mol/L鹽酸在80 ℃對(duì)粉煤灰溶出2.0 h時(shí)，鋁鐵溶出率高達(dá)90.5%。

趙宇等[8]以鋁灰為原料，與硫酸溶液一起加熱，趁熱過(guò)濾，制得Al2(SO4)3溶液，制得的溶液加入NH4HCO3溶液和聚乙二醇(表面活性劑)反應(yīng)后，經(jīng)陳化、過(guò)濾、水洗、醇洗等操作后得到碳酸鋁銨中間體，再經(jīng)微波干燥煅燒得到高純度納米級(jí)α-Al2O3。得出優(yōu)化工藝條件，硫酸的濃度為2 mol/L、浸取時(shí)間為120 min、浸取溫度為373 K、反應(yīng)配料比n(H2SO4):n(Al)=1.5:1.3、顆粒粒度為80 μm。在此條件下，鋁灰中鋁的浸出率為95%以上，且氧化鋁的純度達(dá)到99.12%。

Mu等[9]以粉煤灰為原料和H2SO4(98%)混合，在一定溫度下燒結(jié)，燒結(jié)后的樣品用水溶解，過(guò)濾，結(jié)晶，煅燒得到Al2O3粉末。并對(duì)粉煤灰粒度、燒結(jié)溫度、燒結(jié)時(shí)間、硫酸與粉煤灰質(zhì)量比等對(duì)氧化鋁的提取率的影響作了論述，從而得出結(jié)論，粉煤灰粒度為6.98 μm、燒結(jié)溫度為260 ℃、燒結(jié)時(shí)間為1.5 h、硫酸與粉煤灰質(zhì)量比為1.2:1。并且氧化鋁的提取率大于87.64%。

劉蓓等[10]以用稀硫酸浸取粉煤灰提鍺后所剩的灰渣為原料，用微熱的濃硫酸將其溶解，溶出大量鋁，趁熱過(guò)濾，得到的濾液用萃取法除鐵，再過(guò)濾，將上述濾液加熱到沸騰，加入適量的硫酸銨，得到硫酸鋁銨溶液，最后加入碳酸氫銨，過(guò)濾，得到堿式碳酸鋁銨，加熱分解即得氧化鋁。

酸法能夠解決鋁灰本身對(duì)環(huán)境的污染以及鋁灰堆積占用土地資源等問(wèn)題，但本方法不但工藝流程較為復(fù)雜，設(shè)備成本高，而且工藝用到大量用酸等，必然是能耗大，對(duì)設(shè)備腐蝕性強(qiáng)。再比如任根寬報(bào)道的用粉煤灰和石灰石為原料提取鋁鐵工藝中，雖然鋁鐵溶出率高達(dá)90.5%，但因大量用石灰石和CaF2，導(dǎo)致煅燒過(guò)程能耗高，且對(duì)含氟化物沒(méi)有好的處理方法，會(huì)對(duì)大氣形成新的污染。

1.2 堿 法

潛在鋁資源和一定物質(zhì)的量的堿性物質(zhì)反應(yīng)，Al以可溶性鋁鹽形式存在，用溶劑將其溶解，再將鋁鹽溶液進(jìn)行結(jié)晶析出，然后煅燒得Al2O3粉末。

薛金根等[11]以粉煤灰、石灰、純堿為原料，高溫?zé)Y(jié)得到可溶性鋁鹽，用水溶液將其溶解，然后結(jié)晶，煅燒等操作制得Al2O3粉末。李菲等[12]以鋁灰為原料，和NaOH、添加劑(NaNO3、Na2O2)在一定溫度下熔煉，得到可溶性鋁鹽，用水將其溶解、過(guò)濾(除雜)，結(jié)晶，煅燒制得Al2O3粉末。周揚(yáng)民等[13]采用焙燒脫氟后鋁灰用NaOH燒結(jié)法處理，燒結(jié)后在1:5固液比及80 ℃時(shí)，1 h水中進(jìn)行溶出得到鋁酸鈉溶液，最后溶出液通過(guò)除雜和液固分離后并入氧化鋁水解系統(tǒng)生產(chǎn)砂狀氧化鋁。溶出渣中鋁殘余為14%，鋁的溶出率可達(dá)94.35%，高于鋁土礦生產(chǎn)氧化鋁工藝中鋁的溶出率。

Sun等[14]以用低濃度堿溶液(NaOH 15wt%)處理過(guò)的粉煤灰(脫硅)為原料，和混合堿(NaOH和Ca(OH)2)溶液一起反應(yīng)，得到可溶性鋁鹽，用水將其溶解、過(guò)濾(除雜)，結(jié)晶，煅燒制得Al2O3粉末。并對(duì)反應(yīng)溫度、鈣硅比、堿灰比等對(duì)氧化鋁的萃取率的影響作了論述，從而得出結(jié)論，反應(yīng)溫度為280 ℃、鈣硅比為1.0、堿灰比為6，氧化鋁的萃取率為92%。

堿法基本都用到了煅燒過(guò)程，相對(duì)于酸法來(lái)說(shuō)能耗高，且生產(chǎn)過(guò)程中用到強(qiáng)堿，依然存在腐蝕設(shè)備等問(wèn)題，但是該工藝流程相對(duì)于酸法生產(chǎn)工藝流程較簡(jiǎn)單，設(shè)備投資費(fèi)用相對(duì)較小，具有了一定的經(jīng)濟(jì)效益。

1.3 混合法

吳艷等[15]以粉煤灰為原料，經(jīng)過(guò)磨細(xì)到一定粒度在一定溫度焙燒后的粉煤灰(活化)和硫酸加熱，真空過(guò)濾，水浴溶出濾餅中的硫酸鋁，經(jīng)過(guò)濾、蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶得到硫酸鋁晶體，晶體經(jīng)煅燒得γ-Al2O3，通過(guò)熱堿液浸溶(除雜)、加入晶種(Al(OH)3)促進(jìn)分解得Al(OH)3，過(guò)濾，在一定溫度下煅燒得冶金級(jí)氧化鋁。

丁宏婭等[16]以粉煤灰為原料，和Na2CO3(助劑)混合研磨，在一定溫度下燒結(jié)(活化Al2O3)，燒結(jié)產(chǎn)物用硫酸溶液溶解(除硅)，過(guò)濾，向?yàn)V液中添加碳酸鈉溶液(調(diào)pH=5～6)，過(guò)濾、洗滌，得鋁鐵共沉淀，該沉淀用堿溶(NaOH溶液，除去Fe2O3、TiO2、MgO等雜質(zhì))，將堿溶后得到的偏鋁酸鈉溶液加入飽和石灰水(深度脫硅)，再加入碳酸鈉溶液(除去帶入的鈣)，得到純化的偏鋁酸鈉溶液，向溶液加入晶體(Al(OH)3，促進(jìn)分解)，過(guò)濾，在一定溫度下煅燒得冶金用氧化鋁。

以上生產(chǎn)方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，解決鋁灰和粉煤灰?guī)?lái)的資源浪費(fèi)和污染問(wèn)題能夠有效解決，但同時(shí)又會(huì)帶來(lái)新的能源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題，相當(dāng)一些生產(chǎn)工藝繁瑣，自動(dòng)化程度低，會(huì)增加設(shè)備投資以及運(yùn)行成本。粉煤灰和鋁灰回收氧化鋁的工藝研不但在技術(shù)上可行，而且同時(shí)應(yīng)兼顧社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。因此，當(dāng)前存在的酸法和減法都沒(méi)能實(shí)現(xiàn)社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益的兼顧。

2 結(jié) 語(yǔ)

在資源緊缺、環(huán)境污染日趨嚴(yán)重的情形下，鋁工業(yè)的發(fā)展面臨著資源與環(huán)境的巨大壓力?；厥昭趸X的工藝符合國(guó)家發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的要求，是高鋁粉煤灰資源化高效利用的有效途徑之一，變廢為寶、低能耗、綠色環(huán)保、無(wú)污染清潔生產(chǎn)新工藝，是未來(lái)的鋁工業(yè)發(fā)展的方向。同時(shí)，粉煤灰和鋁灰中鋁資源回收具有廣闊的市場(chǎng)前景。當(dāng)前，如何同時(shí)實(shí)現(xiàn)社會(huì)效益(特別是環(huán)境保護(hù))和經(jīng)濟(jì)效益雙贏，在節(jié)能、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展中找到一個(gè)平衡點(diǎn)是今后研究的一個(gè)重點(diǎn)。