用铝灰制备聚铝及高铝复合材料工艺研究

董国强，王新建，王雪玲

（1.山东魏桥长隆环保科技有限公司，山东 滨州256200；2.邹平宏发铝业科技有限公司，山东 滨州256200）

本文主要研究了铝灰在催化水解除氨、除氟无害化处理；酸解溶出铝灰中的单质铝、氢氧化铝及少量的活性Al203以达到资源化的目的；剩余大部分不溶的α-Al203、镁铝尖晶石形式的铝以及其他氧化镁、氧化硅混合干燥后得高铝复合材料，可广泛应用于高端陶瓷及耐火材料。主要重点对铝灰聚铝制备及高铝复合材料的工艺研究。

1 二次铝灰的主要成分

试验样品取自某铝加工厂，铝水经搅拌、精练、扒渣、冷却一次铝灰处理后得二次铝灰经检测其主要化学成分，结果见表1。

表1 某铝加工厂二次铝灰主要化学成分

铝灰中铝、氧化氧含量高，钠、硅、氯、氟、镁、钙含量也较高；两种铝灰主要物相有α - Al2O3、AlN 、NaCl 、SiO2、CaF2、MgAl2O3、Al 和Si 等。

2 工艺流程

以铝灰做原料采用水解-酸溶-聚合-干燥制备聚氯和高铝复合材料工艺流程见图1。

图1 水解-酸溶-聚合-干燥制备聚氯和高铝复合材料工艺流程

向反应罐内加入一定量的清水，再缓慢平稳的加入铝灰搅拌，加入定量的铝灰后，加入定量的催化母液，铝灰温度急剧升高至100℃以上，保温反应2h 以上，反应完成后水解料浆经过滤后，滤液除氟回用，剩余的滤饼进入酸溶工序。具体反应如下：

向溶出中先加入一定浓度的HCl 及部分水, 再一次或多次投加, 经水洗处理过的定量的铝灰搅拌，温度急剧升至105℃以上。全部加完铝灰后保持2h 左右溶出完成。在反应过程中产生一定量的氢气，应做好氢气的安全管控。酸解料浆经过滤后酸解液进入聚合工序，酸解渣经洗涤、干燥、混合后制得高铝复合材料。具体反应如下：

溶出反应：

溶出液打入聚合釜，加入定量的铝酸钙粉后搅拌，自然升温至95℃以上，保温反应2h 左右完成聚合反应。聚合料浆经过滤后，聚合液体自然降温、熟化16～18h，即为液体聚合氯化铝。经浓缩、干燥得固体产品。具体反应如下：

nAlCl3+mH2O=Aln(OH)mCl3n-m+mHCl，(0＜m＜3n，其中n 可取1 到5 中间的任何整数，m 则为≤10 的整数)

本工艺的关键在于确定投料比，控制好反应时间和温度以及氢气的安全、氨气的环保控制。若能合理控制便可充分提高铝的溶出率，同时使距离的铝含量、碱化度得以提高，高铝复合材料产品质量稳定，某铝加工厂会同联合国家某科研机构分别进行了中试所得产品指标满足国家要求。

3 工艺条件的确定

3.1 铝灰与H2O 及母液投料比及温度时间的确定

根据小实结果及借鉴文献资料，初步确定铝灰、水、母液的投料比为10∶25∶1，确定反应温度为100 ℃，在该投料比基础上进行最佳投料比的实验，实验数据见表2。

表2 铝灰与水投料比及温度实验

实验发现水解催化效果与母液的添加量以及催化温度关系密切，实验1 效果最好，脱氮率较高，通过与实验3、4 对比，添加量和温度提高而脱氮效果不变，与实验5 对比当催化母液添加量降低是将影响脱氮率降低。通过五组实验结果对比来看，随着温度的升高脱氟效果越好。因此水解工序选用投料比10∶25∶1，反应温度为100 ℃以上。

3.2 水解滤饼与HCl 投料比及添加剂投料比及温度的确定

根据文献中生产聚合氯化铝的配方及本所用铝灰中氧化铝的含量，初步确定水解滤饼与HCl的投料比为1∶5。

试验发现，当滤饼干基与HCl 的投料比不同时，随滤饼干基量的增大，液体成品的含量随之加大。且前三组配方的成品含量及产生氢气量均已达到质量要求，为了证明反应是否达到最优状态，进行了第四、五组实验加大添加剂的投放量，实验结果表明添加剂投放量为3mL 时效果最佳，又因考虑到温度的影响，我们进行了第六、七组实验，实验结果表明温度越高，反应越充分, 温度达到105℃时，实验结果更理想。因此选用酸解工序投料比为1∶5∶0.04 左右，反应温度为105 ℃以上。

3.3 酸解液与钙粉投料比的确定

根据小实结果及借鉴文献资料，初步确定酸解液与钙粉的投料比为8∶1，确定反应温度为95℃，在该投料比基础上进行最佳投料比的实验，实验数据见表4。

表4 酸解液与钙粉投料比实验

试验发现，当酸解液与钙粉的投料比不同时，随酸解液的增大，液体成品的含量随之加大。且前三组配方的成品含量及盐基度均已达到质量要求，为了证明反应是否达到最优状态，进行了第四组实验，改变反应温度，盐基度及成品含量都有了明显变化。又因考虑到该温度不是最佳温度，我们进行了第五组实验，温度继续增高，盐基度及成品含量适得其反,故温度达到95 ℃时，实验结果最理想。因此选用聚合工序投料比为8∶1 左右，反应温度为95 ℃。

4 产品质量情况说明

根据以上实验数据进行了放大级别的中试所得聚铝产品符合GBT22627-2014 表5。

表5 中试实验结果及国标要求

5 酸解渣产品质量分析

5.1 酸解渣浸出毒性实验指标符合GB 5085.3-2007 见表6

表6 酸解渣浸出毒性与GB 5085.3-2007 对比

5.2 酸解渣的应用性分析

该工艺通过水解有效的去除了铝灰中的氟、氮氧化物有危险废物变为一般固废，通过酸的极强溶解性，有效的去除了铝灰中的活性铝，同时通过在酸解过程中添加硅、镁反应抑制剂，确保了酸解渣内氧化硅、镁的含量，提高了高端铝、镁、硅类陶瓷及耐材的所需有效成分增加了附加值，高 端铝硅镁铝负荷材料化验指标及变化趋势见图3。

图3 酸解反应后铝、硅、镁变化趋势

6 结论

利用铝灰制取聚合氯化铝, 技术上是可行的,产品主要质量指标达到了企业标准。由于该反应是一步反应, 而且是利用反应自身放热来满足反应温度的要求,具有工艺简单、流程短、节能、无二次污染等特点。达到了化害为利, 变废为宝,综合利用的目的。