电解铝大修渣的无害化处理研究进展

电解铝大修渣的无害化处理研究进展铝电解槽主要由阴极糊料、阴极炭块、高铝耐火砖、黏土耐火砖、氮化硅砖、高强浇注料、干式防渗料、硅酸钙板和异型炭块等构成。在高温柔化学腐蚀的作用下，上述炭、耐火材料和绝缘材料的化学和机械作用使得大修渣（以下简称SPL）的组分比较简单。SPL的化学组成表<imgsrc=“/UploadFiles/2023001/20235/Env/202305142332217389.jpg”alt=“1.jpg”width=“632”height=“193”/由于SPL中各组分性质的差异，使其没有固定的处理方式，因此填埋、焚烧、海洋丢弃等是以平常见的处理方法。但SPL中可溶性或可水解性的氟化物、氰化物和炭化物等遇水会对生态环境产生严峻的危害，发生反应见式：NaF+H2O→HF↑+NaOH2AlN+3H2O→Al2O3+2NH3↑Al4C3+6H2O→2Al2O3+2CH4↑[Fe(CN)6]4-+6H2O→4OH-+Fe(OH)2↓+6HCN↑4HF+SiO2→SiF4↑+2H2O2016年《国家危急废物名录》将电解铝过程中电解槽修理及废弃产生的废渣定义为危急废物，危急代码为HW48-321-023-48。另外自2018年1月1日起施行的《中华人民共和国环境爱护税法》中规定，危急废物征收环境爱护税1000元/t，因此对于电解铝生产单位而言处理SPL迫在眉睫。目前SPL的无害化处理方法有：1湿法1.1浮选法浮选法是指利用SPL中不同组分的疏水性差异，从SPL原样中分别出电解质和炭。在浮选过程中加入的药剂被称为浮选剂，浮选剂由发泡剂、抑制剂和捕收剂组成。发泡剂的作用是使空气弥散在矿浆中，增加炭块四周的气泡从而增加炭块上浮的机械强度，常用发泡剂有2#油和醚醇；抑制剂的作用是减弱和消退捕收剂对浮选物的相互作用，常见的抑制剂为水玻璃；捕收剂的作用是选择性地作用在炭块表面，使炭块具有更好的疏水性，一般用煤油作捕收剂，其组分主要为C11和C16的烷烃，能和炭块有很好的相互作用。工艺流程如下图：由上图可知，将SPL破裂球磨后投入浮选机中进行浮选。在浮选过程中对矿浆搅拌、充气，矿浆中经捕收剂处理的炭疏水性强，易和气泡结合被“拖”到液面上，对炭浆过滤烘干后可得较高纯度的炭。电解质由于疏水性差不易被气泡带到表面而保留在浆液中，调整浆液至pH=9，可过滤得到冰晶石（Na3AlF6）。李彩霞等优化浮选条件为球磨时间15min、捕收剂乳化油用量4kg/t、起泡剂2#油用量4kg/t，经过1次精选和3次扫选可将尾矿Na3AlF6质量分数提升至97.38%。李楠等通过对SPL棒磨使90%的颗粒粒度小于0.074mm，在w（矿浆）=20%、浮选机转速1700r/mim条件下，炭回收率为84.90%，纯度为78.50%，Na3AlF6回收率为86.86%。李小明等进一步将浮选后的炭粉采纳加NaOH焙烧活化-水洗-酸浸-水洗工艺进行提纯讨论，结果表明在m（NaOH）:m（炭粉）=0.4、1000℃焙烧1h后用浓度为1mol/L的盐酸在温度60℃下酸浸1h，可得到纯度为94%的炭。电解铝槽的工作温度为930~1000℃，在高温条件下使原来热力学性质处于非稳定状态下的炭质由混乱无序结构转化成石墨晶体有序结构，因此浮选后的炭石墨化程度高，是一种很好的化工原料。1.2酸碱法酸碱法是指利用SPL中各组分的溶解度差异，通过碱浸和酸浸的方式将SPL中的电解质分别出来。酸碱法的过程分为3步，首先通过碱浸溶解Na3AlF6和Al2O3，其次将碱浸后的炭渣酸浸溶解其中的Fe、Ca盐等酸溶性物质，最终按肯定比例混合酸浸液和碱浸液制取Na3AlF6。反应式：Na3AlF6+4NaOH→NaAl(OH)4+6NaFAl2O3+2NaOH+3H2O→2NaAl(OH)4Al(OH)4-+2OH-→Al(OH)63-2Al(OH)4-+2OH-→Al(OH)104-在强碱溶液中，Na3AlF6溶解形成絮状物，该过程可将不溶于碱液的钙盐、炭块过滤分别出来。过滤后的固体物质进一步用强酸酸浸，使得炭块中可溶于酸的盐溶解到酸浸液中。为保持强酸的有效利用，在酸浸前需将碱浸后的固体滤渣水洗以降低pH值。酸浸过程中发生反应式：NaAl11O17+34HCl→NaCl+11AlCl3+17H2OCaF2+2HCl→CaCl2+2HF↑将酸性浸出液逐步加入碱性浸出溶液中，调整至pH=9可析出碱液中的Na3AlF6，此时混合液呈弱碱性，有利于抑制HCN和HF气体的产生。在Na3AlF6过滤后的滤液中加入Ca(ClO)2可分解氰化物并生成CaF2，将CaF2过滤后的液体蒸发回收NaCl。<imgsrc=“/UploadFiles/2023001/20235/Env/202305142332214240.jpg”alt=“2.jpg”width=“316”height=“223”/该工艺分别通过碱浸和酸浸得到高纯度的炭产品和Na3AlF6、CaF2、NaCl等产品，危急气体排放少，满意环保要求。但由于需要大量氢氧化钠和浓盐酸，并且浸出和后续处理过程中的蒸发环节也会增加热能耗，导致处理成本过高，再加上强酸强碱对设备的腐蚀使得该方法的工业化目前难以实现。1.3水洗脱氟相对于酸碱法而言，水洗脱氟工艺是一种较为简洁且温柔的处理方式，SPL浸出液中含有超过7000mg/L的F-，其中主要可溶性氟化物为NaF。在标准条件下NaF具有较稳定的溶解度，利用该特点对SPL进行水洗，可将大部分NaF脱除。水洗过程中影响脱氟率的因素有粒度、液固比和浸出温度，其中粒度和液固比对浸出率有较大影响，虽然浸出率随温度上升而有所增加，但是过高温度会促进氟化物和氰化物在溶液中水解释放出有害气体。因此，赵俊学等采纳水洗浸出试验得到优化后的水洗浸出方案，在优化工艺条件下，原料中可溶F-浸出率可达到97.8%。水洗脱氟后的水洗液中含有大量的F-，对水洗液的处理成为水洗脱氟法的关键步骤。利用可溶性钙盐CaCl2对脱氟后的废水进行处理，固氟率达到99.5%，反应式：Ca2++2F-→CaF2↓水洗处理工艺过程简洁且对设备要求不高，可快速将SPL内可溶性氟化物降到较低水平，适用于企业在短时间内大批量化处理。但由于NaF溶解度有限，且为了节省水资源，上述常规水洗法并不能达到国家对于氟离子排放浓100mg/L的要求。为了进一步达处处理效果，还需在水洗后对水洗渣增加额外的处理工艺。1.4络合浸出脱氟通过水洗浸出技术可将SPL中大部分可溶性氟化盐脱除，但是对于其中溶解度低的成分（如Na3AlF6、CaF2）仍旧不能脱除。一方面，造成含氟资源的铺张；另一方面，使得水洗渣中的含炭量过低从而影响后续的利用。络合浸出技术是指在酸性条件下利用Na3AlF6和CaF2的微溶性和协作物的稳定性使F-和外加金属阳离子发生络合反应，生成稳定常数高的协作物，从而将SPL中的难溶性氟化物浸出。讨论表明，在优化工艺条件下可使得难溶性氟化物的F-浸出率高达88.5%。1.5改良浮选法南阳东方应用化工讨论所以浮选法为基础对大修渣进行分选处理，再经酸碱法对选出物和选余物进行深化处理，实现了大修渣中碳、铝、氟、硅的有效分别，制得了纯度符合工业要求的碳粉、冰晶石和二氧化硅等产品。不仅获得了良好的经济效益，而且具有非常可观的生态效益。2湿法2.1用作生产水泥的补充原料水泥的组成是CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3系，电解铝SPL作为补充燃料不会使水泥组分的变化超出标准。将SPL破裂细磨后按比例和水泥生料在回转窑中焙烧，其中SPL中炭的燃烧可以供应部分热量。此外，氰化物在高温条件下分解以及氟化物在高温柔钙盐作用下转化成性质稳CaF2，化学式：4NaCN+9O2→Na2O+2NO2+2CO22NAF+SiO2+CaO→CaF2+NaO·SiO2ChaoukiGhenai等利用铝工业的固体废物材料SPL作为水泥工业的燃料，通过建立数学模型分析，将SPL替代燃料燃烧与水泥工业中使用的常规燃料（煤）燃烧进行了比较。与煤相比，用SPL作燃料时放出热量为12000kj/kg，炉膛出口最高温度为1087℃；煤燃烧时可释放32300kj/kg，炉膛最高温度为1389℃，因此利用SPL作补充燃料可实现生产水泥的温度要求，且在这一温度范围内能有效抑制NO和CO2排放。这表明使用SPL作为补充燃料可以降低水泥工业的燃料成本，并能平安处理电解铝产生的固废。但由于铝电解槽材料是高碱性的，掺入水泥中会对其的质量产生肯定的影响，并且在高温下氟化物简单蒸发并随烟气排入大气，对环境造成污染。2.2回转窑焙烧固氟工艺为了避开SPL对水泥窑的损坏，可建筑特地用于焙烧SPL的回转窑。回转窑焙烧法因其工艺简洁、效果明显成为国内处理SPL比较常用的一种方法。该工艺将SPL破裂、细磨后加入肯定量的石灰石和粉煤灰混合匀称，利用回转窑在900~1100℃下焙烧。其中氟化物与石灰反应被固化，同时高温下将氰化物分解，焙烧残渣可用作水泥添加剂，见下图：回转窑焙烧时反应式：C+O2→CO2Na3AlF6→AlF3+3NaFCaCO3→CaO+CO2↑2NaF+3CaO+2SiO2→NaO·SiO2+CaF2+2CaO·SiO22AlF3+3H2O→Al2O3+6HF↑2AlF3+3CaO→3CaF2+Al2O32NaCN+2.5O2→2CO2+N2+NaO2Na4[Fe(CN)6]+15.5O2→Fe2O3+12CO2+6N2+4Na2O<imgsrc=“/UploadFiles/2023001/20235/Env/202305142332211450.png”alt=“3.png”width=“641”height=“309”/利用该方法处理SPL可使氟化物的转化率超过95%，回收的固体渣含有约20%的CaF2，因此可以作为生产水泥的帮助材料。该工艺虽简洁牢靠但在处理大修废渣的过程中会有破裂粉尘、焙烧烟气等污染物产生，需要对排放的污染物进行治理。2.3SPL协同赤泥处理技术利用拜耳法从铝土矿中提取电解铝原料Al2O3时不行避开地产生赤泥。赤泥含有各种有价值的组分，如Al2O3、SiO2和Fe2O3等。一般利用炭质材料作还原剂在温度为700℃时焙烧可对其中的Fe3+进行还原回收。常用的炭质材料有活性炭、煤、CO和CO2等，这些原料往往造成较大的成本负担，而炭作为SPL中含量最多的组分可考虑用作还原剂。谢武明等在赤泥中混入SPL通过焙烧还原Fe3+，并利用Factsage7.1软件进行了热力学模拟讨论，确定了矿物相的转变。采纳正交试验讨论了SPL添加量、温度和焙烧时间，试验结果表明，在w(SPL)=7%、焙烧温度为900℃、焙烧时间为240min的条件下，铁的回收率可达88.84%。同时通过该方法处理可将SPL中的可溶性氟化物转化成枪晶石（3CaO·2SiO2·CaF2），以实现固氟的目的。该工艺通过用废渣处理废渣的方式以较低成本使二者均实现了无害化和资源化。3结语当前填埋法不被提倡使用，湿法和火法是处理SPL的主要可行方法。浮选法可较大程度实现资源化处理，但不易保证产品的纯度；酸碱法实现了炭和电解质的较大回收率和纯度，但是存在对设备腐蚀严峻、成本高等问题不易实现工业化；水洗法简洁有效，但水洗后的废水、废渣需进一步处理；络合浸出