鋁灰制備高純硫酸鋁的工藝研究

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(guò)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(lái)，我國(guó)鋁工業(yè)迅猛發(fā)展，產(chǎn)量持續(xù)增長(zhǎng)，已成為世界主要的鋁生產(chǎn)國(guó)[3]。煉鋁時(shí)產(chǎn)生的大量鋁灰，主要來(lái)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(fèi)，同時(shí)也帶來(lái)環(huán)境的污染，因此加強(qiáng)對(duì)鋁灰的再利用已勢(shì)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(duì)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(jià)值的工業(yè)廢棄物。因此，提高鋁綜合回收利用率，實(shí)現(xiàn)鋁灰有價(jià)組分回收及資源化利用是落實(shí)循環(huán)經(jīng)濟(jì)、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(shí)，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(duì)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(jià)組分提純法和殘?jiān)w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(kāi)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(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品的準(zhǔn)備

對(duì)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(duì)樣品進(jìn)行成分表征，其結(jié)果見(jiàn)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(huì)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(guò)對(duì)比原料中鋁的含量和浸出渣中鋁的含量得出。

1.3 試驗(yàn)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(guò)程中主要化學(xué)反應(yīng)為：Al2O3+3H2SO4→Al2(SO4)3+3H2O；水解沉淀過(guò)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(yàn)結(jié)果與討論

2.1 硫酸濃度對(duì)鋁灰中鋁的浸出率的影響

為了考察浸出劑硫酸濃度對(duì)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(shí)間為30min，浸出攪拌強(qiáng)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(jiàn)圖2。

圖2 浸出劑硫酸濃度對(duì)鋁灰中鋁浸出率的影響

由圖2實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)浸出劑硫酸濃度小于15%時(shí)，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(guò)15%時(shí)鋁的浸出率反而有所下降低。實(shí)驗(yàn)中我們還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)浸出劑硫酸濃度超過(guò)15%時(shí)，固液分離過(guò)濾時(shí)極困難，這可能是由于硫酸濃度過(guò)大導(dǎo)致浸出過(guò)程中礦物粒度過(guò)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(qiáng)度對(duì)鋁灰中鋁的浸出率的影響

為了考察浸出攪拌強(qiáng)度對(duì)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(shí)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(qiáng)度為100r/min、200r/min、300r/min、400r/min、500r/min。其結(jié)果見(jiàn)圖3。

由圖3實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，隨著浸出攪拌強(qiáng)度的增大，鋁灰中鋁浸出率整體呈增大趨勢(shì)，但是當(dāng)攪拌強(qiáng)度達(dá)到300r/min時(shí)，攪拌強(qiáng)度再增大鋁的浸出率增大不明顯。這可能是由于攪拌強(qiáng)度較小時(shí)，浸出過(guò)程處于擴(kuò)散控制階段，隨著攪拌強(qiáng)度的增大，浸出過(guò)程逐漸由擴(kuò)散控制變?yōu)榛瘜W(xué)反應(yīng)控制階段，所以當(dāng)攪拌強(qiáng)度超過(guò)300r/min時(shí)再增大攪拌強(qiáng)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(qiáng)度為300r/min。

圖3 浸出攪拌強(qiáng)度對(duì)鋁灰中鋁浸出率的影響

2.3 浸出溫度對(duì)鋁灰中鋁的浸出率的影響

為了考察浸出溫度對(duì)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(shí)間為30min，浸出劑硫酸濃度為15%，浸出攪拌強(qiáng)度為300r/min，分別改變浸出溫度為20℃、30℃、40℃、50℃、60℃。其結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 浸出溫度對(duì)鋁灰中鋁浸出率的影響

由圖4實(shí)驗(yàn)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(shì)，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(huì)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(duì)鋁灰中鋁的浸出率的影響

為了考察浸出固液比對(duì)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(shí)間為30min，浸出劑硫酸濃度為15%，浸出攪拌強(qiáng)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(jiàn)圖5。

由圖5實(shí)驗(yàn)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(shì)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(duì)鋁灰中鋁浸出率的影響

2.5 浸出時(shí)間對(duì)鋁灰中鋁的浸出率的影響

為了考察浸出時(shí)間對(duì)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(qiáng)度為300r/min，分別改變浸出時(shí)間為30min、60min、90min、120min、150min。其結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 浸出固液比對(duì)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(shí)間的增大逐漸增大，當(dāng)浸出時(shí)間達(dá)到90min時(shí)，其浸出率隨浸出時(shí)間的增大趨勢(shì)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(shí)間為90min。最后我們?cè)谧罴呀龉に嚄l件下，即浸出劑濃度為15%的硫酸、浸出溫度為40℃、浸出時(shí)間為90min、浸出攪拌強(qiáng)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(yàn)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(guò)量的（15ml）5%過(guò)氧化氫，以氧化其中的雜質(zhì)，并嚴(yán)格控制終點(diǎn)pH值為4.3，通過(guò)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(guò)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(shí)驗(yàn)值：Al，7.92；H，5.15；S，13.87。XRD分析檢測(cè)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(duì)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(xiàng)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(guò)程中浸出溫度、攪拌強(qiáng)度、浸出時(shí)間、固液比、硫酸濃度等因素對(duì)其浸出率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該工藝從鋁灰中回收硫酸鋁，浸出過(guò)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(shí)間為90min、浸出攪拌強(qiáng)度為300r/min、固液比為1：10，重復(fù)試驗(yàn)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。