用硫酸從電解鋁灰中浸出鋁試驗研究

楊 娜，王鴻雁，吳 洋

(山東工業職業學院，山東 淄博 256414)

由于金屬鋁具有活潑、易氧化的特性，在電解過程中，熔融狀態下的鋁與爐內空氣中的氧氣、氮氣等發生反應，產生副產物鋁灰[1]。鋁灰有毒，大多屬危險廢物，而且量大；其中含有金屬鋁、鋁化合物及熱能，潛在價值較高[2-5]。實際上，部分鋁灰被用于制作低品質耐火磚、低純度化學品或環保濾料，大量鋁灰則未經適當處理而被直接堆積，不僅會引發環境問題，也浪費大量資源。鋁灰與水發生反應生成氨氣、氫氣、甲烷等氣體，易引發火災；鋁灰中的重金屬離子會對土壤及水源造成污染，而且還會導致土壤鹽堿化[6-8]。目前，鋁工業對鋁灰的處理研究還處于初期階段，仍存在回收率較低、能耗高、操作環境惡劣等諸多問題。因此，改進回收工藝、提高鋁灰回收率是目前鋁工業急需解決的問題之一[9-10]。

鋁灰的成分差別較大，主要成分為金屬鋁和氧化鋁。金屬鋁質量分數往往高達10%，氧化鋁質量分數高達50%，具有較高回收價值[11-12]。用硫酸浸出鋁灰中的金屬鋁已有研究，但用硫酸浸出鋁并制備硫酸鋁的研究鮮見報道。試驗研究用硫酸浸出使鋁以硫酸鋁形式進入浸出液，通過考察影響浸出的各因素，確定硫酸浸出鋁灰得到硫酸鋁溶液的最佳條件，為后續處理含鋁浸出液制得氧化鋁粉體，提高產品附加值創造條件。

1 試驗原料、試劑與設備

鋁灰：取自山東某電解鋁廠，其主要成分見表1。

表1 鋁灰的主要化學組成 %

硫酸：分析純。

試驗設備：恒溫油浴鍋，馬弗爐，電子天平，磁力攪拌器等。

玻璃儀器：容量瓶，錐形瓶，移液管，燒杯，滴定管，量筒等。

2 試驗原理與方法

2.1 試驗原理

鋁灰的主要成分為金屬鋁和氧化鋁。用硫酸浸出，鋁轉化成可溶性鋁鹽，SiO2不溶；鋁灰中的鐵溶于硫酸，導致浸出液中含有鐵雜質，后續需除鐵。硫酸浸出主要化學反應[13]如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

2.2 試驗方法

稱取一定質量鋁灰于燒瓶中，加入一定濃度一定量硫酸，置于油浴(25～110 ℃)中加熱并攪拌10～240 min，之后趁熱過濾。濾渣洗滌，洗液合并到濾液中，測定濾液中鋁質量濃度，計算鋁浸出率。

3 試驗結果與討論

3.1 硫酸濃度對鋁浸出率的影響

浸出溫度25 ℃，鋁灰粒度80目，配料比n(H2SO4)/n(Al)=1.5，硫酸濃度對鋁浸出率的影響試驗結果如圖1所示。

浸出時間：—■—50 min；—●—100 min；—▲—150 min。

由圖1看出：隨硫酸濃度提高，鋁浸出率提高；硫酸濃度大于2.0 mol/L后，鋁浸出率反而下降。體系中鋁含量有限，當硫酸濃度超過2.0 mol/L后，鋁離子對氫離子擴散起到屏蔽作用；此外，硫酸濃度增大后，液體流動性變差，導致反應速率降低。綜合考慮，確定硫酸濃度以2.0 mol/L左右為宜。

3.2 浸出時間對鋁浸出率的影響

浸出溫度25 ℃，鋁灰粒度80目，配料比n(H2SO4)/n(Al)=1.5，浸出時間對鋁浸出率的影響試驗結果如圖2所示，可以看出：隨浸出時間延長，鋁浸出率逐漸提高；反應100 min后，鋁浸出率變化不大；反應125 min后，鋁基本浸出完全。綜合考慮，浸出時間以控制在120 min左右較為適宜。

3.3 浸出溫度對鋁浸出率的影響

硫酸濃度2.0 mol/l，鋁灰粒度80目，配料比n(H2SO4)/n(Al)=1.5，浸出溫度對鋁浸出率的影響試驗結果如圖3所示。

由圖3看出：隨浸出溫度升高，鋁浸出率提高；溫度為100 ℃時，浸出率達66.4%。鋁灰浸出反應為放熱反應，反應過程中放出大量熱和氣體，使得燒瓶中的水蒸氣逸出，反應液體積減小，導致反應體系中硫酸濃度升高，對浸出結果造成影響。溫度進一步升高會加速體系液體蒸發，使反應料漿黏度增大，物質擴散阻力增大，不利于浸出反應進行。因此，較高溫度下需向體系中補水[14]。綜合考慮，確定浸出溫度以不超過100 ℃為宜。

3.4 配料比對鋁浸出率的影響

浸出溫度100 ℃，浸出時間120 min，硫酸濃度2.0 mol/L，鋁灰粒度80目，配料比n(H2SO4)/n(Al)對鋁浸出率的影響試驗結果如圖4所示。

圖4 配料比對鋁浸出率的影響

由圖4看出：配料比由1.5增至1.8，鋁浸出率由69.6%提高到76.6%，提高幅度較大；配料比由1.8再增至1.95，鋁浸出率提高幅度不大；配料比為1.95時，鋁浸出率達最大。綜合考慮，配料比n(H2SO4)/n(Al)以1.95左右為宜。

3.5 鋁灰粒度對鋁浸出率的影響

浸出溫度100 ℃，配料比n(H2SO4)/n(Al)=1.95，反應時間120 min，鋁灰粒度對鋁浸出率的影響試驗結果如圖5所示。

圖5 鋁灰粒度對鋁浸出率的影響

由圖5看出：鋁灰粒度由80目降至150目，鋁浸出率提高明顯；但鋁灰粒度進一步降至180目，鋁浸出率僅有小幅提高，之后變化不大。綜合考慮，確定鋁灰粒度以控制在180目左右為宜。

4 結論

用硫酸從鋁灰中浸出鋁是可行的。在最優反應條件(硫酸濃度2.0 mol/L，鋁灰粒度180目，配料比n(H2SO4)/n(Al)=1.95，浸出溫度100 ℃，浸出時間120 min)下，鋁浸出率在87%以上，浸出效果較好。試驗結果為鋁灰的綜合治理提供了一種有效途徑。