CN108585003A - 一种利用铝灰制备片状氧化铝的方法 - Google Patents

一种利用铝灰制备片状氧化铝的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用铝灰制备片状氧化铝的方法，主要包括以下几个步骤：浸出、除杂、合成前驱体、煅烧。具体为：（1）以铝灰为原料，用硫酸浸出得到浸出液；（2）控制浸出液pH为3，添加KMnO4溶液使浸出液中的Fe沉淀，得到已净化的铝盐溶液；（3）加热搅拌净化后的铝盐溶液，并向其中缓慢添加中和药剂，得到凝胶；（4）将所得的凝胶真空脱水并干燥，然后添加熔盐在高温条件下烧结，得到烧结产物；（5）烧结产物经过浸泡、超声清洗、乙醇清洗后干燥得到片状氧化铝。采用本发明的方法处理铝灰，流程简单，可提取铝灰中有价成分铝，且所获得的片状氧化铝可实现铝灰的高值化回收利用。

Description

一种利用铝灰制备片状氧化铝的方法
技术领域
本发明涉及电解铝工业过程固废的高值化利用领域，特别是涉及一种利用铝灰制备片状氧化铝的方法。
背景技术
在电解铝行业中，由于金属铝被氧化不可避免产生铝灰，且随着电解铝产量的不断增加，铝灰的产量也不断增加。据统计，生产1000 t铝大约产生30-50 t的铝灰。铝灰中的主要成分为Al、Al2O3、Fe2O3、CaO、SiO2等。这类铝灰铝元素含量高，目前大部分企业只是采用炒灰法和回转窑法回收其中的铝单质，余下的铝渣中氧化铝的含量仍很高。目前此类铝渣在行业内只是进行简单地堆积或填埋，尚未实现有效的资源化利用。
李菲等（铝灰制备α-Al2O3工艺.北京科技大学学报,2012,34(4):383-389.）采用铝灰为原料，通过低温碱性熔炼-浸出-晶种分解的工艺制备出α-Al2O3，但是该工艺制备出的α-Al2O3表面凹凸不平，有很大的空隙和一些松散组织。赵宇等（铝灰回收氧化铝工艺进展.无机盐工业,2017,49(5):64-67.）采用硫酸浸出-碳酸氢铵中和的工艺制得了α-Al2O3，但未考虑浸出液中Fe的脱除，且制得产品呈颗粒状，具有不同的几何形状。
片状氧化铝是一种新型氧化铝产品，属于非冶金级氧化铝，其呈六角片状，径向为微米级，厚度达到纳米级，因而具有良好的活性、表面附着性、显著的屏蔽效应和反光能力。片状氧化铝既具有氧化铝的化学性能，又具有片状粉体的物理形貌特征。因此被广泛应用于研磨磨料、珠光颜料、生物陶瓷、耐火材料等领域。当前制备片状氧化铝的思路是采用不同的铝源制得氢氧化铝前驱体，经过煅烧前驱体获得片状氧化铝。常见的铝源有硫酸铝、氯化铝、硝酸铝等，此类铝源均为工业级化学品，属于二次产品再利用。然而基于铝灰高值化利用制备片状氧化铝的方法尚未有报道，原因是铝灰的成分相对较复杂，浸出过程中部分杂质离子如Fe难以去除，难以获得成分单一的前驱体，现有方法中针对铝灰资源化利用合成的产品主要集中于冶金级氧化铝。
发明内容
本发明提出了一种利用铝灰制备片状氧化铝的方法，采用铝灰为原料，通过对浸出-除杂-合成前驱体-煅烧的工序制得片状氧化铝产品。
实现本发明的技术方案是：一种利用铝灰制备片状氧化铝的方法，包括以下步骤：
（1）浸出：采用硫酸浸出铝灰，得到含Al和Fe的浸出液；
（2）除杂：控制浸出液pH为3，向浸出液中添加KMnO4溶液，过滤得到铝盐溶液；
（3）合成前驱体：加热搅拌步骤（2）得到的铝盐溶液，并向其中缓慢添加中和药剂，得到凝胶，干燥脱水磨细得到氢氧化铝前驱体；
（4）煅烧：将步骤（3）得到的氢氧化铝前驱体加入熔盐混合均匀，将混合物煅烧得到产物，产物经过去离子水超声清洗和乙醇清洗后干燥得到片状氧化铝。
所述步骤（1）中的铝灰原料为电解铝过程中产生的固废，包括以下重量百分比的组分：Al2O3 55-85 %，SiO2 3-8 %，Na2O 3-15 %，Fe2O3 0-3 %，CaO 0-10 %，V2O5 0-1 %，F 1-10 %。
所述步骤（1）中硫酸浓度为20-40%，硫酸与铝灰的液固比为(5-10):1，浸出温度为80-100 ℃，浸出时间为2-5 h。
所述步骤（2）中KMnO4溶液的浓度为5-10 %，KMnO4与浸出液中Fe的物质的量之比为1：（4-6）。
所述步骤（3）中添加的中和药剂为碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸铵或碳酸氢铵溶液，中和药剂与步骤（1）浸出液中Al的物质的量之比为1:1，加热温度为60-80 ℃，反应时间为15-60 min。
以Al2O3计，所述步骤（4）中氢氧化铝前驱体与熔盐的物质的量之比为1:4。
所述步骤（4）中的熔盐为钠盐、钾盐或两者的混合物，混合物中钠盐和钾盐的物质的量之比为2.4:1.6。
所述步骤（4）中煅烧温度为1100-1300 ℃，煅烧时间为2-6 h。
本发明的有益效果是：本发明可以最大程度上的回收铝灰中的铝资源，同时实现铝的高值化回收利用，打破目前铝灰只回收铝灰中单质铝和冶金级氧化铝的现状，真正实现变废为宝。本发明的操作简单，环保效益高，适合大规模工业化应用，因此具有非常重要的现实意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的工艺流程图。
图2和图3为实施例1和2获得的片状氧化铝SEM表征图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种利用铝灰制备片状氧化铝的方法，步骤如下：
第一步：浸出
以粒径小于150 μm的铝灰为原料（化学成分如表1），用20%的硫酸作为浸出剂，液固比为10:1，浸出温度为90 ℃，浸出时间为2 h，铝灰的浸出率为66.8%。
表1
成分 Al2O3 SiO2 Na2O Fe2O3 CaO TiO2 其他
含量/% 80.43 5.06 5.12 1.51 1.09 0.70 6.09
过滤得到浸出渣和浸出液，浸出液中Al和Fe的浓度分别为19.82 g/L和0.76 g/L。
第二步：除杂
控制浸出液的pH为3，向上述浸出液中添加5%的KMnO4溶液（体积按n(Fe):n(KMnO4)=5），获得棕红色沉淀后过滤得到净化的硫酸铝溶液。
第三步：合成前驱体
加热硫酸铝溶液至60℃并不断搅拌，向其中缓慢添加Na2CO3溶液，Na2CO3加入量与浸出液中铝的化学计量相当，加入速率控制到正好使产生的CO2挥发出，待添加完毕继续反应30min，获得白色凝胶；将获得的凝胶干燥脱水磨细获得前驱体。
第四步：煅烧
按(NaCl+KCl):Al2(SO4)3=4:1将熔盐与前驱体均匀混合，在管式炉中加热至1200 ℃，煅烧时间为4 h，产物经过去离子水超声清洗和乙醇清洗后干燥得到片状氧化铝。
实施例2
一种利用铝灰制备片状氧化铝的方法，步骤如下：
第一步：浸出
以粒径小于150 μm的铝灰为原料（化学成分如表2），用30%的硫酸作为浸出剂，液固比为5:1，浸出温度为100 ℃，浸出时间为5 h，铝灰的浸出率为60.6%。
表2
成分 Al2O3 SiO2 Na2O Fe2O3 CaO F 其他
含量/% 59.14 5.95 11.31 0.80 7.71 11.14 3.95
过滤得到浸出渣和浸出液，浸出液中Al和Fe的浓度分别为27.34 g/L和0.98 g/L。
第二步：除杂
控制浸出液的pH为3，向上述浸出液中添加10%的KMnO4溶液（体积按n(Fe):n(KMnO4)=6），获得棕红色沉淀后过滤得到净化的硫酸铝溶液。
第三步：合成前驱体
加热硫酸铝溶液至70 ℃并不断搅拌，向其中缓慢添加NaHCO3溶液，NaHCO3加入量与浸出液中铝的化学计量相当，加入速率控制到正好使产生的CO2挥发出，待添加完毕继续反应15 min，获得白色凝胶；将获得的凝胶干燥脱水磨细获得前驱体。
第四步：煅烧
按(Na2SO4+K2SO4):Al2(SO4)3=4:1将熔盐与前驱体均匀混合，在管式炉中加热至1100℃，煅烧时间为6 h，产物经过去离子水超声清洗和乙醇清洗后干燥得到片状氧化铝。
实施例3
一种利用铝灰制备片状氧化铝的方法，步骤如下：
第一步：浸出
以粒径小于150 μm的铝灰为原料（化学成分如表3），用30%的硫酸作为浸出剂，液固比为8:1，浸出温度为80 ℃，浸出时间为4 h，铝灰的浸出率为77.4%。
表3
成分 Al2O3 SiO2 Na2O Fe2O3 CaO F 其他
含量/% 59.14 5.95 11.31 0.80 7.71 11.14 3.95
过滤得到浸出渣和浸出液，浸出液中Al和Fe的浓度分别为21.55 g/L和0.54 g/L。
第二步：除杂
控制浸出液的pH为3，向上述浸出液中添加7%的KMnO4溶液（体积按n(Fe):n(KMnO4)=4），获得棕红色沉淀后过滤得到净化的硫酸铝溶液。
第三步：合成前驱体
加热硫酸铝溶液至80 ℃并不断搅拌，向其中缓慢添加(NH4)2CO3溶液，(NH4)2CO3加入量与浸出液中铝的化学计量相当，加入速率控制到正好使产生的CO2挥发出，待添加完毕继续反应60 min，获得白色凝胶；将获得的凝胶干燥脱水磨细获得前驱体。
第四步：煅烧
按Na2SO4:Al2(SO4)3=4:1将熔盐与前驱体均匀混合，在管式炉中加热至1300 ℃，煅烧时间为2 h，产物经过去离子水超声清洗和乙醇清洗后干燥得到片状氧化铝。
实施例4
一种利用铝灰制备片状氧化铝的方法，步骤如下：
第一步：浸出
以粒径小于150 μm的铝灰为原料（化学成分如表4），用40%的硫酸作为浸出剂，液固比为10:1，浸出温度为100 ℃，浸出时间为4 h，铝灰的浸出率为80.4%。
表4
成分 Al2O3 SiO2 Na2O Fe2O3 CaO TiO2 其他
含量/% 80.43 5.06 5.12 1.51 1.09 0.70 6.09
过滤得到浸出渣和浸出液，浸出液中Al和Fe的浓度分别为26.43 g/L和1.21 g/L。
第二步：除杂
控制浸出液的pH为3，向上述浸出液中添加5%的KMnO4溶液（体积按n(Fe):n(KMnO4)=4），获得棕红色沉淀后过滤得到净化的硫酸铝溶液。
第三步：合成前驱体
加热硫酸铝溶液至80 ℃并不断搅拌，向其中缓慢添加NH4HCO3溶液，NH4HCO3加入量与浸出液中铝的化学计量相当，加入速率控制到正好使产生的CO2挥发出，待添加完毕继续反应30 min，获得白色凝胶；将获得的凝胶干燥脱水磨细获得前驱体。
第四步：煅烧
按Na2SO4:Al2(SO4)3=4:1将熔盐与前驱体均匀混合，在管式炉中加热至1200 ℃，煅烧时间为6 h，产物经过去离子水超声清洗和乙醇清洗后干燥得到片状氧化铝。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种利用铝灰制备片状氧化铝的方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）浸出：采用硫酸浸出铝灰，得到含Al和Fe的浸出液；
（2）除杂：控制浸出液pH为3，向浸出液中添加KMnO4溶液，过滤得到铝盐溶液；
（3）合成前驱体：加热搅拌步骤（2）得到的铝盐溶液，并向其中缓慢添加中和药剂，得到凝胶，干燥脱水磨细得到氢氧化铝前驱体；
（4）煅烧：将步骤（3）得到的氢氧化铝前驱体加入熔盐混合均匀，将混合物煅烧得到产物，产物经过去离子水超声清洗和乙醇清洗后干燥得到片状氧化铝。
2.根据权利要求1所述的利用铝灰制备片状氧化铝的方法，其特征在于：所述步骤（1）中的铝灰原料为电解铝过程中产生的固废，包括以下重量百分比的组分：Al2O3 55-85 %，SiO2 3-8 %，Na2O 3-15 %，Fe2O3 0-3 %，CaO 0-10 %，V2O5 0-1 %，F 1-10 %。
3.根据权利要求1所述的利用铝灰制备片状氧化铝的方法，其特征在于：所述步骤（1）中硫酸浓度为20-40%，硫酸与铝灰的液固比为(5-10):1，浸出温度为80-100 ℃，浸出时间为2-5 h。
4.根据权利要求1所述的利用铝灰制备片状氧化铝的方法，其特征在于：所述步骤（2）中KMnO4溶液的浓度为5-10 %，KMnO4与浸出液中Fe的物质的量之比为1：（4-6）。
5.根据权利要求1所述的利用铝灰制备片状氧化铝的方法，其特征在于：所述步骤（3）中添加的中和药剂为碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸铵或碳酸氢铵溶液，中和药剂与步骤（1）浸出液中Al的物质的量之比为1:1，加热温度为60-80 ℃，反应时间为15-60 min。
6.根据权利要求1所述的利用铝灰制备片状氧化铝的方法，其特征在于：以Al2O3计，所述步骤（4）中氢氧化铝前驱体与熔盐的物质的量之比为1:4。
7.根据权利要求1所述的利用铝灰制备片状氧化铝的方法，其特征在于：所述步骤（4）中的熔盐为钠盐、钾盐或两者的混合物，混合物中钠盐和钾盐的物质的量之比为2.4:1.6。
8.根据权利要求1所述的利用铝灰制备片状氧化铝的方法，其特征在于：所述步骤（4）中煅烧温度为1100-1300 ℃，煅烧时间为2-6 h。
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