一种二次铝灰的资源化利用方法

本发明涉及一种二次铝灰的资源化利用新方法，属于铝电解固废资源综合利用。

背景技术：

1、铝灰指铝电解、铸造和回收过程中产生的固体废弃物，通常可以分为一次铝灰和二次铝灰。二次铝灰是一次铝灰和废旧铝材经回收处理后剩余的灰渣，铝含量进一步降低。二次铝工业中每生产1t熔融铝产生8％～15％的二次铝灰，目前我国每年二次铝灰排放量超过300万t。鉴于二次铝灰对人体健康和环境保护带来的挑战，2016年被列入《国家危险废物名录》，危险特性为毒性；2018年实施的《中华人民共和国环境保护税法》对二次铝灰等危废的排放征收环境保护税。因此，二次铝灰源头企业面临巨大的环保压力，铝灰的无害化处理与资源化利用迫在眉睫。

2、针对这一难题进行了多方面的探索。在铝灰无害化处理方式中，中国专利(申请号：202010970221.7)公开了一种二次铝灰无害化综合利用的处理方法及其制备方法，包括二次铝灰的研磨、水浸脱氨、滤渣焙烧、水洗除盐、联合脱氟、蒸发结晶等步骤。此方法步骤较为繁琐。中国专利(202310832015.3)公开了一种二次铝灰球磨分选-低温焙烧-水洗浸出联合处置的方法，对二次铝灰进行粒径分选，中粒径二次铝灰进行低温焙烧处置，细粒径二次铝灰采用掺杂电解铝电解质低温焙烧处置，处置后中粒径、细粒径与粗粒径二次铝灰共同经过水洗浸出，获得无害化二次铝灰和无机盐。此方法降低了二次铝灰的安全风险，实现了无机盐的回收。在铝灰资源化利用方式中，中国专利(申请号：202210492536.4)公开了一种二次铝灰弱碱性水洗无害化处理方法，添加碳酸盐催化剂，显著去除二次铝灰中氮化铝，浸出渣用作混凝土掺杂料，但铝灰中存在的盐类杂质会显著影响混凝土性能。中国专利(申请号：201910220901.4)公开了一种铝电解槽废旧阴极浸出渣制备吸附材料的方法。该方法将铝电解槽废旧阴极水浸出渣与钙盐均匀混合，在惰性气氛下高温烧制，固氟开孔，冷却后用稀酸反复冲洗，实现无害化的同时制得高效吸附材料。该方法工艺流程短，以废治废，同时实现固体废物的无害化和资源化。

3、针对二次铝灰的处理处置问题，文献研究发现湿法技术能耗低，便于实现产物的无害化和资源化，但也存在着工艺条件繁琐、酸碱消耗量大和二次污染重的缺点。目前二次铝灰的工业化处理并不多，大部分处于实验室阶段，在应用的过程中，需要针对不同利用方式定制具体工艺路线。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，实现二次铝灰资源的规模化高效利用，减少环境污染并实现可持续发展，本发明的主要目的是提出一种超声波强化二次铝灰碱性浸出的资源化利用新方法。超声波强化可以减少碱用量，提高处理效率，以期高效全面实现二次铝灰的资源化利用。

2、本发明的技术方案是：

3、一种二次铝灰的资源化利用方法，包括以下步骤：

4、(1)对二次铝灰研磨破碎后，采用超声波强化碱性溶液浸出；

5、(2)浸出挥发气通过酸液吸收，浓缩结晶生产氨态氮肥；

6、(3)浸出液通过晶种分离、焙烧脱水生产氧化铝，浸出渣制备吸附材料。

7、本发明所述的二次铝灰包括电解铝、铝再生或铝加工行业产生的二次铝灰。

8、步骤(1)中二次铝灰，经研磨破碎后颗粒粒径小于0.15mm。

9、所述步骤1中，干法球磨时间控制0.5-2h，球磨机转速控制200-400r/min。

10、所述步骤1中，将二次铝灰过100目振动筛，筛下累计产率大于90％。

11、步骤(1)中设置超声波功率为100w-800w。

12、步骤(1)中所述碱性物质包括氨水、nahco3、na2co3、k2co3、naoh、koh中的一种或多种。

13、步骤(1)碱投加质量比为1％-22％。

14、步骤(1)中浸出的液固比(ml/g)为1:1-20:1，反应时间为1h-12h，搅拌速度为100-400r/min，反应温度为25℃-95℃。

15、步骤(2)所述用于氨气吸收的酸液包括h2so4、h3po4、h2co3溶液，so2、co2气体的一种或多种，经过杂质分离、提取干燥制备相应的铵态氮肥。

16、步骤(3)中采用步骤(1)的浸出液通过晶种分离、焙烧脱水生产氧化铝。含氢氧化钠的母液蒸发浓缩后返回步骤(1)。

17、步骤(3)中采用步骤(1)固液分离获得浸出渣，用水冲洗至洗涤液ph无变化，获得吸附材料。

18、进一步地，在反应完成后，选用真空抽滤装置获得浸出渣，采用ph为6.5-8.5常温洗涤水冲洗，直至冲洗液ph不再变化；在40-80℃恒温干燥4-12h，制得吸附材料。

19、二次铝灰在电解铝、再生铝和铝材加工过程中均有产生，含有多种活性铝组分，如金属铝、氮化铝、碳化铝等，在堆存过程中容易产生有毒有害气体。随生产工艺和废铝原料的不同，各种组分含量存在差异。现有湿法技术反应效率低，往往只降低了二次铝灰的毒性和反应性，缺乏对反应产物的利用。对二次铝灰进行碱性水解，可以使废渣低于《危险废物鉴别标准反应性鉴别》(gb5085.5-2007)标准，实现无害化，因此应用较为广泛。但是加碱效率低下，需要高温高压或较长的反应时间，且存在着最高达40％的增重，造成大量的废渣堆存，铝元素的浪费。

20、在二次铝灰的水解过程中，颗粒表面形成的氢氧化铝膜限制了反应的进行。过量的碱可以溶解氢氧化铝和部分氧化铝，促进界面化学反应，反应方程式如(1)-(5)所示。研究表明，此时不溶物和产物层的界面转移和扩散成了限速步骤。超声波的作用分为空化效应、机械效应和热效应。声压作用产生大量空化气泡，介质分子逃散到临界距离会使空化气泡迅速崩溃，在这一瞬间形成的空间差产生强烈的冲击波和微射流，扰动其附近的液体流动。强烈的穿透力和伴随产生的空化冲击波，使得液体处于加热状态时更为有效地传递能量。一方面超声波空化带来的特殊的力学效应、湍动效应包括微扰效应降低了反应热边界层的厚度，使得两相之间的传热效率得到改善。另一方面空化气泡会承担热传递的作用，传递部分表面热量至反应面，进一步强化了传热的作用。因此，超声波在浸出过程中细化了氢氧化铝钝化层，降低固液传质阻力，打开了矿物包裹体，促进新生反应界面的形成，帮助氢氧根离子更好更快地接近反应核。

21、2al+6h2o＝2al(oh)3↓+3h2↑(1)

22、aln+3h2o＝al(oh)3+nh3↑(2)

23、al4c3+12h2o＝4al(oh)3+3ch4↑(3)

24、al(oh)3+naoh→na[al(oh)4](4)

25、al2o3+2naoh+3h2o＝2na[al(oh)4](5)

26、室温条件引入超声可以替代常规高温加热，缩短反应时间，降低反应能耗，实现活性铝组分的浸出和转化，为二次铝灰浸出工艺的改进提供新思路。与此同时，经历了碱改性和超声波活化的浸出渣，比表面积大，空隙结构好，化学性质稳定。通过氢氧根的络合、沉淀作用以及活性位点的静电吸附作用，可将浸出渣用作废水中金属离子的高效吸附剂。浸出液结晶分离、焙烧脱水制备氧化铝，浸出气体制备氨态氮肥，以实现环境保护和资源的综合回收利用。