粉煤灰和铝灰回收氧化铝的工艺研究进展

巨婷婷，李小东，方阿祥，李刚刚

(兰州理工大学技术工程学院，甘肃 兰州 730050)

铝灰是铝电解、铝加工等铝冶炼加工过程中产生的危险废弃物，含铝量10%～80%[1]。据报道[2]，生产每吨铝平均产生15～25 kg铝灰，因此，世界上每年有数百万吨的铝灰产生。据不完全统计，我国每年产生的铝灰量将达112～180万吨[3]。粉煤灰是燃煤火力发电的固体废弃物，据不完全统计到2020年，我国粉煤灰的年总排放量将达到了30亿吨[4]，如此多的铝灰和粉煤灰会污染大气、水体，占用大量土地资源。氧化铝因其具有良好的热稳定性、电阻高、多孔结构好、良好的催化活性，广泛引用于热加工、半导体、陶瓷工艺、催化工艺等多个领域[5]。因此，有效利用铝灰和粉煤灰制备氧化铝，不仅减少资源浪费和环境污染，而且从铝灰中回收铝及其他元素，充分合理利用，对提高企业的经济效益，保护生态环境具有重要的现实意义和实用价值[6]。

1 粉煤灰、铝灰制备氧化铝的工艺

粉煤灰和铝灰制备氧化铝的工艺一般可以概括成反应、浸出、除杂、转化四部分。反应部分是用酸、碱、碱式盐在一定条件下将粉煤灰、铝灰中的铝转化为可溶性铝盐。浸出部分是将可溶性盐溶解提纯。除杂部分是在一定条件下除去粉煤灰和铝灰中的Fe、Ti、Mg、Si等杂质。转化部分是将提纯的可溶性盐进一步处理成氧化铝。

1.1 酸 法

潜在铝资源和一定浓度的酸反应，Al以可溶性铝盐浸出，直接煅烧得氧化铝粉末，或者用溶出液与铵盐溶液反应，生成前驱体，然后煅烧就可得到Al2O3粉末。

任根宽[7]报道了用粉煤灰和石灰石为原料提取铝铁工艺。粉煤灰与石灰石的质量比为2.5、焙烧温度850 ℃、烧成时间为2 h、CaF2用量为生料的1%，液固比3.5，用浓度为7 mol/L盐酸在80 ℃对粉煤灰溶出2.0 h时，铝铁溶出率高达90.5%。

赵宇等[8]以铝灰为原料，与硫酸溶液一起加热，趁热过滤，制得Al2(SO4)3溶液，制得的溶液加入NH4HCO3溶液和聚乙二醇(表面活性剂)反应后，经陈化、过滤、水洗、醇洗等操作后得到碳酸铝铵中间体，再经微波干燥煅烧得到高纯度纳米级α-Al2O3。得出优化工艺条件，硫酸的浓度为2 mol/L、浸取时间为120 min、浸取温度为373 K、反应配料比n(H2SO4):n(Al)=1.5:1.3、颗粒粒度为80 μm。在此条件下，铝灰中铝的浸出率为95%以上，且氧化铝的纯度达到99.12%。

Mu等[9]以粉煤灰为原料和H2SO4(98%)混合，在一定温度下烧结，烧结后的样品用水溶解，过滤，结晶，煅烧得到Al2O3粉末。并对粉煤灰粒度、烧结温度、烧结时间、硫酸与粉煤灰质量比等对氧化铝的提取率的影响作了论述，从而得出结论，粉煤灰粒度为6.98 μm、烧结温度为260 ℃、烧结时间为1.5 h、硫酸与粉煤灰质量比为1.2:1。并且氧化铝的提取率大于87.64%。

刘蓓等[10]以用稀硫酸浸取粉煤灰提锗后所剩的灰渣为原料，用微热的浓硫酸将其溶解，溶出大量铝，趁热过滤，得到的滤液用萃取法除铁，再过滤，将上述滤液加热到沸腾，加入适量的硫酸铵，得到硫酸铝铵溶液，最后加入碳酸氢铵，过滤，得到碱式碳酸铝铵，加热分解即得氧化铝。

酸法能够解决铝灰本身对环境的污染以及铝灰堆积占用土地资源等问题，但本方法不但工艺流程较为复杂，设备成本高，而且工艺用到大量用酸等，必然是能耗大，对设备腐蚀性强。再比如任根宽报道的用粉煤灰和石灰石为原料提取铝铁工艺中，虽然铝铁溶出率高达90.5%，但因大量用石灰石和CaF2，导致煅烧过程能耗高，且对含氟化物没有好的处理方法，会对大气形成新的污染。

1.2 碱 法

潜在铝资源和一定物质的量的碱性物质反应，Al以可溶性铝盐形式存在，用溶剂将其溶解，再将铝盐溶液进行结晶析出，然后煅烧得Al2O3粉末。

薛金根等[11]以粉煤灰、石灰、纯碱为原料，高温烧结得到可溶性铝盐，用水溶液将其溶解，然后结晶，煅烧等操作制得Al2O3粉末。李菲等[12]以铝灰为原料，和NaOH、添加剂(NaNO3、Na2O2)在一定温度下熔炼，得到可溶性铝盐，用水将其溶解、过滤(除杂)，结晶，煅烧制得Al2O3粉末。周扬民等[13]采用焙烧脱氟后铝灰用NaOH烧结法处理，烧结后在1:5固液比及80 ℃时，1 h水中进行溶出得到铝酸钠溶液，最后溶出液通过除杂和液固分离后并入氧化铝水解系统生产砂状氧化铝。溶出渣中铝残余为14%，铝的溶出率可达94.35%，高于铝土矿生产氧化铝工艺中铝的溶出率。

Sun等[14]以用低浓度碱溶液(NaOH 15wt%)处理过的粉煤灰(脱硅)为原料，和混合碱(NaOH和Ca(OH)2)溶液一起反应，得到可溶性铝盐，用水将其溶解、过滤(除杂)，结晶，煅烧制得Al2O3粉末。并对反应温度、钙硅比、碱灰比等对氧化铝的萃取率的影响作了论述，从而得出结论，反应温度为280 ℃、钙硅比为1.0、碱灰比为6，氧化铝的萃取率为92%。

碱法基本都用到了煅烧过程，相对于酸法来说能耗高，且生产过程中用到强碱，依然存在腐蚀设备等问题，但是该工艺流程相对于酸法生产工艺流程较简单，设备投资费用相对较小，具有了一定的经济效益。

1.3 混合法

吴艳等[15]以粉煤灰为原料，经过磨细到一定粒度在一定温度焙烧后的粉煤灰(活化)和硫酸加热，真空过滤，水浴溶出滤饼中的硫酸铝，经过滤、蒸发浓缩、冷却结晶得到硫酸铝晶体，晶体经煅烧得γ-Al2O3，通过热碱液浸溶(除杂)、加入晶种(Al(OH)3)促进分解得Al(OH)3，过滤，在一定温度下煅烧得冶金级氧化铝。

丁宏娅等[16]以粉煤灰为原料，和Na2CO3(助剂)混合研磨，在一定温度下烧结(活化Al2O3)，烧结产物用硫酸溶液溶解(除硅)，过滤，向滤液中添加碳酸钠溶液(调pH=5～6)，过滤、洗涤，得铝铁共沉淀，该沉淀用碱溶(NaOH溶液，除去Fe2O3、TiO2、MgO等杂质)，将碱溶后得到的偏铝酸钠溶液加入饱和石灰水(深度脱硅)，再加入碳酸钠溶液(除去带入的钙)，得到纯化的偏铝酸钠溶液，向溶液加入晶体(Al(OH)3，促进分解)，过滤，在一定温度下煅烧得冶金用氧化铝。

以上生产方法各有优缺点，解决铝灰和粉煤灰带来的资源浪费和污染问题能够有效解决，但同时又会带来新的能源问题和环境问题，相当一些生产工艺繁琐，自动化程度低，会增加设备投资以及运行成本。粉煤灰和铝灰回收氧化铝的工艺研不但在技术上可行，而且同时应兼顾社会效益和经济效益。因此，当前存在的酸法和减法都没能实现社会效益和经济效益的兼顾。

2 结 语

在资源紧缺、环境污染日趋严重的情形下，铝工业的发展面临着资源与环境的巨大压力。回收氧化铝的工艺符合国家发展循环经济的要求，是高铝粉煤灰资源化高效利用的有效途径之一，变废为宝、低能耗、绿色环保、无污染清洁生产新工艺，是未来的铝工业发展的方向。同时，粉煤灰和铝灰中铝资源回收具有广阔的市场前景。当前，如何同时实现社会效益(特别是环境保护)和经济效益双赢，在节能、环保、可持续发展中找到一个平衡点是今后研究的一个重点。