CN102502641A

CN102502641A - 微波加热赤泥和铝电解废阴极炭块合成碳化硅的方法

Info

Publication number: CN102502641A
Application number: CN2011103334034A
Authority: CN
Inventors: 符岩; 翟秀静; 吕子剑; 李斌川; 畅永锋
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2011-10-28
Filing date: 2011-10-28
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2031-10-28
Also published as: CN102502641B

Abstract

本发明是一种微波加热赤泥和铝电解槽废阴极炭块合成碳化硅的方法，制造工艺为：将赤泥磨矿处理至粒度小于0.074mm的部分占整体的比例等于或大于40wt%，添加适量的还原剂进行磁化焙烧，然后再磁选分离磁铁矿获得含硅的固体物料；将铝电解废阴极炭块进行预处理，磨矿处理至粒度小于0.074mm的部分占整体的比例等于或大于40wt%，进行浮选分离、酸碱除杂处理后获得炭粉；把含硅的固体物料和炭粉混合均匀，在2450MHz或916MHz的微波场中合成30～300min，得到碳化硅产品。本发明方法可有效实现有色冶金领域的固体废弃物--赤泥和铝电解废阴极炭块的无害化与资源综合利用，生产效率和能源利用率高。

Description

微波加热赤泥和铝电解废阴极炭块合成碳化硅的方法

技术领域

本发明属于工业废渣处理领域，特别涉及一种微波加热赤泥和铝电解废阴极炭块合成碳化硅的方法。

背景技术

铝电解废阴极炭块是铝电解工业产生的废弃物。目前，世界电解铝工业均采用埃尔-霍鲁法生产工艺，即在冰晶石-氧化铝的熔盐体系中电解还原制取金属铝。据工业铝电解槽的氟平衡调查统计结果，每生产一吨铝平均消耗30kg氟（从冰晶石、氟化铝和其它氟盐换算得出），其中30～40%渗透入炭阴极中。按每吨铝计算，大约有10kg氟被电解槽的炭阴极吸收。据统计，每生产1t原铝约排放30～50kg废阴极炭块。随着全世界铝产量的增加，排放废阴极炭块的数量不断增加。铝电解废阴极炭块的主要成分是碳和电解质，其中碳含量为45～80%，电解质含量约20～55%，电解质主要由冰晶石、氟化钠、氧化铝和氟化钙组成。由于缺乏合理的处理工艺，铝电解废阴极炭块大量堆积，对环境构成严重威胁。

对于铝电解废阴极炭块的处理已引起国内外铝电解企业和相关研究人员的高度重视。专利US6187275-B1和WO9929625-A提出采用酸浸得到氢氟酸、再用氢氧化铝和氢氟酸反应制备氟化铝的方法；专利CA2367544-A1提出采用氢氧化钠浸出-物理分离的方法回收废旧阴极炭块中的碳和氟化物。由于存在酸碱消耗大，成本高，酸浸过程逸出的氟化氢易引起二次污染等原因，这些方法难以得到推广。另外，人们还提出了利用废炭块生产建筑材料添加料的处理方法，如专利WO2003014038-A提出利用废旧阴极炭块作为燃料和添加料生产水泥的方法；专利AU9175394-A提出将炭块中的碳焙烧除去后，水浸提取氟化钠和回收陶瓷添加料的方法；专利CA2497064-A1和CA2536428-A1提出在800~1200℃下焙烧废旧阴极炭块、氧化钙和二氧化硅，破坏其中氰化物和制备混凝土添加料和玻璃粉的方法。但焙烧过程带来的烟气污染，添加料使用量受限制等问题，使得这些方法推广受限。

赤泥是氧化铝生产过程中排出的污染性工业固体废弃物。一般平均每生产1t氧化铝，附带产生1.0~2.0t赤泥。作为全球最大的原铝消费国兼生产国，中国2010年氧化铝产量已达3000万吨。预计2011年氧化铝产量将突破3600万吨。随着氧化铝需求量的增大和铝土矿品位的降低，赤泥排放量将越来越大，大量的赤泥不能充分有效的利用，只能依靠大面积的堆场堆放，不但占用土地，且赤泥中的化学成分渗土入壤，会造成土地碱化、地下水污染等生态环境问题。因此，如何处理氧化铝生产过程所排放的大量赤泥，减少环境污染是氧化铝生产行业必须解决的难题。

氧化铝厂赤泥综合利用问题是一个世界性的难题。国内外氧化铝厂大都将赤泥输送堆场，筑坝湿法堆存，且靠自然沉降分离对溶液返回再用，该法易使大量废碱液渗透到附近农田，造成土壤碱化、沼泽化，污染地表地下水源。另一种常用的方法是将赤泥干燥脱水和蒸发后干法堆存。这些堆存方法不但占用大量的土地，还使赤泥中的许多可利用成份不能得到合理利用，造成了资源的二次浪费，因此对赤泥进行综合利用的研究也成了迫在眉睫的问题。

目前国内外提出的综合利用赤泥的途径主要包括：回收赤泥中的有价成分，如专利CN101182601；生产水泥及其它建筑材料，如专利CN1225907和CN101215142，这是大量利用赤泥的主要途径；用作肥料、土壤改良剂、脱硫剂、净水剂、炼钢造渣剂、涂料、絮凝剂以及流态自硬砂硬化剂等。国外氧化铝生产企业的赤泥原先主要填海堆存，近年来，随着全球环保意识的增强，赤泥填海堆存被明令禁止，筑坝堆存已成为主要的排放方式。我国氧化铝生产企业受地理位置限制，多年来赤泥除少量应用于水泥生产外，大多湿法露天筑坝堆存，截止2006年底，国内赤泥累积堆存量已超过亿吨。赤泥堆场建设和维护费用高昂，加重了氧化铝生产成本，而且强碱性、高盐度的赤泥废液会造成土壤碱化，污染地下水源。赤泥堆场的存在破坏了周边环境，带来严重的环境问题，致使铝工业的环保压力剧增，已成为影响我国铝工业可持续发展的棘手问题。赤泥堆存的环境风险早已引起了各氧化铝生产国政府及企业的重视，并达成共识：解决赤泥问题的关键是研发赤泥综合利用技术。

虽然国内外已在这方面做了大量的研究工作，也开发了不少赤泥制产品。但赤泥彻底性的综合治理仍然需要展开更加深入的研究工作。扩大赤泥的应用领域、探索高附加值赤泥产品的生产方法是今后回收、利用赤泥的主要途径。赤泥的有效利用将给铝工业生产带来极大的促进，同时也会带动其他工业领域的良性发展，解决资源浪费、环境恶化等问题，带来巨大的经济效益和社会效益。

采用微波加热技术，利用固体废弃物—赤泥和铝电解废阴极炭块合成碳化硅的方法未见报道。针对以上技术问题，本发明提出将固体废弃物—赤泥和铝电解废阴极炭块进行预处理后按一定配比混合，利用其中的碳和硅资源，采用微波加热的方法合成碳化硅。本发明利用微波快速加热和体加热的特点降低了能耗、缩短了处理时间，可有效解决固体废弃物—赤泥和铝电解废阴极炭块的环境污染和资源利用问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，有效利用资源，解决废阴极炭块和赤泥污染环境的问题，本发明提供了一种微波加热赤泥和铝电解废阴极炭块合成碳化硅的方法。本发明提出将固体废弃物—废阴极炭块和赤泥进行预处理后按一定配比混合，利用其中的碳和硅资源，采用微波加热的方法合成碳化硅。设计出了一种省时低能耗合成碳化硅的方法。

本发明微波加热赤泥和铝电解废阴极炭块合成碳化硅的方法，包括以下步骤：

（1）预处理：将赤泥进行磨矿处理，至赤泥灰固体物料中粒度小于0.074mm的部分占整体的40wt%以上直接用于步骤（2）的合成，或者将赤泥磨矿处理后添加还原剂进行磁化焙烧，然后再磁选分离，获得含硅的固体物料用于步骤（2）的合成，或者将赤泥磨矿处理后用盐酸水溶液浸出，获得含硅的固体物料用于步骤（2）的合成；将铝电解废阴极炭块进行磨矿和浮选处理，磨矿至碳粉粒度小于0.074mm的部分占整体的40wt%以上，再浮选分离碳和电解质，直接获得碳粉用于步骤（2）的合成，或者将浮选分离的碳粉经过酸浸、碱浸除杂处理后用于步骤（2）的合成；

（2）将预处理后得到的含硅固体物料和碳粉混合均匀，在2450MHz或916MHz的微波场中进行合成，控制合成时间为30～300min，得到碳化硅产品；

所述的步骤（1）中，赤泥为氧化铝工业产生的废弃物；

所述的步骤（1）中，铝电解废阴极炭块为铝电解工业产生的废弃物；

所述的步骤（1）中，添加的还原剂是浮选铝电解废阴极炭块获得的碳粉，用量为赤泥的5～15wt%，浸出赤泥的盐酸水溶液浓度为3～6mol/L；

所述的步骤（1）中，磁化焙烧的温度为700～800℃；

所述的步骤（1）中，碳粉的酸浸采用1～5mol/L盐酸水溶液，碱浸采用5～30wt%氢氧化钠水溶液；

所述的步骤（2）中，废阴极炭块和赤泥物料的配比为质量比0.5～1.5：1；

所述的步骤（2）中，合成时间为30～300min；

所述的步骤（2）中，2450MHz或916MHz的微波场的微波功率为1～100kW；

主要发生的化学反应为：

SiO₂+3C=SiC+2CO↑。

本发明方法的优点在于：

1、有效解决固体废弃物—铝电解废阴极炭块和赤泥的环境污染；

2、利用微波快速加热和体加热的特点，大大缩短处理时间，显著提高生产效率；

3、微波加热能量转化率高，能源利用率高，可显著降低能耗。

本发明中赤泥为氧化铝工业产生的废弃物，铝电解槽废阴极炭块为铝电解工业产生的废弃物。本发明的微波加热赤泥和铝电解废阴极炭块合成碳化硅的方法，实现固体废弃物--废阴极炭块和赤泥的无害化与资源综合利用；有效解决了固体废弃物--废阴极炭块和赤泥的堆存污染问题。

附图说明

图1为实施例1所得产品的X-射线衍射图谱。

具体实施方式

实施例1：

将铝电解废阴极炭块进行磨矿处理，至废阴极炭块中粒度小于0.074mm的部分占70wt%，进行浮选分离后得到的碳粉采用5mol/L盐酸水溶液酸浸，再采用30wt%氢氧化钠水溶液碱浸除杂；赤泥进行磨矿处理，至赤泥中粒度小于0.074mm的部分占90wt%后，采用浓度为6mol/L盐酸水溶液浸出赤泥得到含硅固体物料；将预处理后得到的含硅固体物料和碳粉混合均匀，按质量比1:1混合均匀，在916MHz的微波场中进行合成，控制合成时间为200min，得到最终产品，由图1 X-射线衍射图谱可见，所得的产品主要物相是碳化硅。

实施例2：

将铝电解废阴极炭块进行磨矿处理，至废阴极炭块中粒度小于0.074mm的部分占60wt%，进行浮选分离后得到的碳粉采用5mol/L盐酸水溶液酸浸，再采用30wt%氢氧化钠水溶液碱浸除杂；赤泥进行磨矿处理，至赤泥中粒度小于0.074mm的部分占80wt%，添加碳粉作为还原剂进行磁化焙烧，碳粉用量为赤泥的10wt%，然后再磁选分离磁铁矿获得含硅的固体物料；将预处理后得到的含硅固体物料和碳粉混合均匀，按质量比0.8:1混合均匀，在916MHz的微波场中进行合成，控制合成时间为100min，得到最终产品，由图1 X-射线衍射图谱可见，所得的产品主要物相是碳化硅。

实施例3：

将铝电解废阴极炭块进行磨矿处理，至废阴极炭块中粒度小于0.074mm的部分占100wt%，进行浮选分离获得碳粉；赤泥进行磨矿处理，至赤泥中粒度小于0.074mm的部分占60wt%，添加碳粉作为还原剂进行磁化焙烧，碳粉用量为赤泥的15wt%，然后再磁选分离磁铁矿获得含硅的固体物料；将预处理后得到的含硅固体物料和碳粉按质量比1.5:1混合均匀，在2450MHz的微波场中进行合成，控制合成时间为30min，得到碳化硅产品。

实施例4：

将铝电解废阴极炭块进行磨矿处理，至废阴极炭块中粒度小于0.074mm的部分占40wt%，进行浮选分离获得碳粉；赤泥进行磨矿处理，得到粒度小于0.074mm的部分占100wt%的含硅固体物料；将预处理后得到的含硅固体物料和碳粉按质量比1:1混合均匀，在2450MHz的微波场中进行合成，控制合成时间为300min，得到碳化硅产品。

实施例5：

将铝电解废阴极炭块进行磨矿处理，至废阴极炭块中粒度小于0.074mm的部分占80wt%，进行浮选分离后得到的碳粉采用1mol/L盐酸水溶液酸浸，再采用5wt%氢氧化钠水溶液碱浸后除杂；赤泥进行磨矿处理，至赤泥中粒度小于0.074mm的部分占90wt%，添加碳粉作为还原剂进行磁化焙烧，碳粉用量为赤泥的5wt%，然后再磁选分离磁铁矿获得含硅的固体物料；将预处理后得到的含硅固体物料和碳粉混合均匀，按质量比0.5:1混合均匀，在916MHz的微波场中进行合成，控制合成时间为200min，得到碳化硅产品。

实施例6：

将铝电解废阴极炭块进行磨矿处理，至废阴极炭块中粒度小于0.074mm的部分占90wt%，进行浮选分离获得碳粉；赤泥进行磨矿处理，至赤泥中粒度小于0.074mm的部分占90wt%后，采用浓度为3mol/L盐酸水溶液浸出赤泥得到含硅固体物料；将预处理后得到的含硅固体物料和碳粉混合均匀，按质量比1.2:1混合均匀，在2450MHz的微波场中进行合成，控制合成时间为60min，得到碳化硅产品。

实施例7：

将铝电解废阴极炭块进行磨矿处理，至废阴极炭块中粒度小于0.074mm的部分占70wt%，进行浮选分离获得碳粉；赤泥进行磨矿处理，至赤泥中粒度小于0.074mm的部分占40wt%后，采用浓度为4mol/L盐酸水溶液浸出赤泥得到含硅固体物料；将预处理后得到的含硅固体物料和碳粉混合均匀，按质量比0.6:1混合均匀，在916MHz的微波场中进行合成，控制合成时间为150min，得到碳化硅产品。

Claims

1.微波加热赤泥和铝电解废阴极炭块合成碳化硅的方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）预处理：将赤泥进行磨矿处理，至赤泥灰中粒度小于0.074mm的部分占整体的40wt%以上，获得含硅的固体物料；将铝电解废阴极炭块进行磨矿和浮选处理，磨矿至碳粉粒度小于0.074mm的部分占整体的40wt%以上，再浮选分离碳和电解质，获得碳粉；

（2）将预处理后得到的含硅固体物料和碳粉混合均匀，在2450MHz或916MHz的微波场中进行合成，控制合成时间为30～300min，得到碳化硅产品。

2.如权利要求1所述微波加热赤泥和铝电解废阴极炭块合成碳化硅的方法，其特征在于：在所述的步骤（1）中，赤泥为氧化铝工业产生的废弃物。

3.如权利要求1所述微波加热赤泥和铝电解废阴极炭块合成碳化硅的方法，其特征在于：在所述的步骤（1）中，铝电解废阴极炭块为铝电解工业产生的废弃物。

4.如权利要求1所述微波加热赤泥和铝电解废阴极炭块合成碳化硅的方法，其特征在于：在所述的步骤（2）中，含硅固体物料和碳粉的配比为质量比0.5～1.5：1。

5.如权利要求1所述微波加热赤泥和铝电解废阴极炭块合成碳化硅的方法，其特征在于：在所述的步骤（2）中，合成时间为30～300min。

6.如权利要求1所述微波加热赤泥和铝电解废阴极炭块合成碳化硅的方法，其特征在于：在所述的步骤（2）中，2450MHz或916MHz的微波场的微波功率为1～100kW。