用鋁灰制備聚鋁及高鋁復合材料工藝研究

董國強，王新建，王雪玲

（1.山東魏橋長隆環(huán)保科技有限公司，山東 濱州256200；2.鄒平宏發(fā)鋁業(yè)科技有限公司，山東 濱州256200）

本文主要研究了鋁灰在催化水解除氨、除氟無害化處理；酸解溶出鋁灰中的單質鋁、氫氧化鋁及少量的活性Al203以達到資源化的目的；剩余大部分不溶的α-Al203、鎂鋁尖晶石形式的鋁以及其他氧化鎂、氧化硅混合干燥后得高鋁復合材料，可廣泛應用于高端陶瓷及耐火材料。主要重點對鋁灰聚鋁制備及高鋁復合材料的工藝研究。

1 二次鋁灰的主要成分

試驗樣品取自某鋁加工廠，鋁水經攪拌、精練、扒渣、冷卻一次鋁灰處理后得二次鋁灰經檢測其主要化學成分，結果見表1。

表1 某鋁加工廠二次鋁灰主要化學成分

鋁灰中鋁、氧化氧含量高，鈉、硅、氯、氟、鎂、鈣含量也較高；兩種鋁灰主要物相有α - Al2O3、AlN 、NaCl 、SiO2、CaF2、MgAl2O3、Al 和Si 等。

2 工藝流程

以鋁灰做原料采用水解-酸溶-聚合-干燥制備聚氯和高鋁復合材料工藝流程見圖1。

圖1 水解-酸溶-聚合-干燥制備聚氯和高鋁復合材料工藝流程

向反應罐內加入一定量的清水，再緩慢平穩(wěn)的加入鋁灰攪拌，加入定量的鋁灰后，加入定量的催化母液，鋁灰溫度急劇升高至100℃以上，保溫反應2h 以上，反應完成后水解料漿經過濾后，濾液除氟回用，剩余的濾餅進入酸溶工序。具體反應如下：

向溶出中先加入一定濃度的HCl 及部分水, 再一次或多次投加, 經水洗處理過的定量的鋁灰攪拌，溫度急劇升至105℃以上。全部加完鋁灰后保持2h 左右溶出完成。在反應過程中產生一定量的氫氣，應做好氫氣的安全管控。酸解料漿經過濾后酸解液進入聚合工序，酸解渣經洗滌、干燥、混合后制得高鋁復合材料。具體反應如下：

溶出反應：

溶出液打入聚合釜，加入定量的鋁酸鈣粉后攪拌，自然升溫至95℃以上，保溫反應2h 左右完成聚合反應。聚合料漿經過濾后，聚合液體自然降溫、熟化16～18h，即為液體聚合氯化鋁。經濃縮、干燥得固體產品。具體反應如下：

nAlCl3+mH2O=Aln(OH)mCl3n-m+mHCl，(0＜m＜3n，其中n 可取1 到5 中間的任何整數，m 則為≤10 的整數)

本工藝的關鍵在于確定投料比，控制好反應時間和溫度以及氫氣的安全、氨氣的環(huán)保控制。若能合理控制便可充分提高鋁的溶出率，同時使距離的鋁含量、堿化度得以提高，高鋁復合材料產品質量穩(wěn)定，某鋁加工廠會同聯(lián)合國家某科研機構分別進行了中試所得產品指標滿足國家要求。

3 工藝條件的確定

3.1 鋁灰與H2O 及母液投料比及溫度時間的確定

根據小實結果及借鑒文獻資料，初步確定鋁灰、水、母液的投料比為10∶25∶1，確定反應溫度為100 ℃，在該投料比基礎上進行最佳投料比的實驗，實驗數據見表2。

表2 鋁灰與水投料比及溫度實驗

實驗發(fā)現水解催化效果與母液的添加量以及催化溫度關系密切，實驗1 效果最好，脫氮率較高，通過與實驗3、4 對比，添加量和溫度提高而脫氮效果不變，與實驗5 對比當催化母液添加量降低是將影響脫氮率降低。通過五組實驗結果對比來看，隨著溫度的升高脫氟效果越好。因此水解工序選用投料比10∶25∶1，反應溫度為100 ℃以上。

3.2 水解濾餅與HCl 投料比及添加劑投料比及溫度的確定

根據文獻中生產聚合氯化鋁的配方及本所用鋁灰中氧化鋁的含量，初步確定水解濾餅與HCl的投料比為1∶5。

試驗發(fā)現，當濾餅干基與HCl 的投料比不同時，隨濾餅干基量的增大，液體成品的含量隨之加大。且前三組配方的成品含量及產生氫氣量均已達到質量要求，為了證明反應是否達到最優(yōu)狀態(tài)，進行了第四、五組實驗加大添加劑的投放量，實驗結果表明添加劑投放量為3mL 時效果最佳，又因考慮到溫度的影響，我們進行了第六、七組實驗，實驗結果表明溫度越高，反應越充分, 溫度達到105℃時，實驗結果更理想。因此選用酸解工序投料比為1∶5∶0.04 左右，反應溫度為105 ℃以上。

3.3 酸解液與鈣粉投料比的確定

根據小實結果及借鑒文獻資料，初步確定酸解液與鈣粉的投料比為8∶1，確定反應溫度為95℃，在該投料比基礎上進行最佳投料比的實驗，實驗數據見表4。

表4 酸解液與鈣粉投料比實驗

試驗發(fā)現，當酸解液與鈣粉的投料比不同時，隨酸解液的增大，液體成品的含量隨之加大。且前三組配方的成品含量及鹽基度均已達到質量要求，為了證明反應是否達到最優(yōu)狀態(tài)，進行了第四組實驗，改變反應溫度，鹽基度及成品含量都有了明顯變化。又因考慮到該溫度不是最佳溫度，我們進行了第五組實驗，溫度繼續(xù)增高，鹽基度及成品含量適得其反,故溫度達到95 ℃時，實驗結果最理想。因此選用聚合工序投料比為8∶1 左右，反應溫度為95 ℃。

4 產品質量情況說明

根據以上實驗數據進行了放大級別的中試所得聚鋁產品符合GBT22627-2014 表5。

表5 中試實驗結果及國標要求

5 酸解渣產品質量分析

5.1 酸解渣浸出毒性實驗指標符合GB 5085.3-2007 見表6

表6 酸解渣浸出毒性與GB 5085.3-2007 對比

5.2 酸解渣的應用性分析

該工藝通過水解有效的去除了鋁灰中的氟、氮氧化物有危險廢物變?yōu)橐话愎虖U，通過酸的極強溶解性，有效的去除了鋁灰中的活性鋁，同時通過在酸解過程中添加硅、鎂反應抑制劑，確保了酸解渣內氧化硅、鎂的含量，提高了高端鋁、鎂、硅類陶瓷及耐材的所需有效成分增加了附加值，高 端鋁硅鎂鋁負荷材料化驗指標及變化趨勢見圖3。

圖3 酸解反應后鋁、硅、鎂變化趨勢

6 結論

利用鋁灰制取聚合氯化鋁, 技術上是可行的,產品主要質量指標達到了企業(yè)標準。由于該反應是一步反應, 而且是利用反應自身放熱來滿足反應溫度的要求,具有工藝簡單、流程短、節(jié)能、無二次污染等特點。達到了化害為利, 變廢為寶,綜合利用的目的。