CN113105222A

CN113105222A - 利用铝灰制备莫来石的方法

Info

Publication number: CN113105222A
Application number: CN202110374306.3A
Authority: CN
Inventors: 李利民; 王践
Original assignee: Chongqing Fengmiao Ecological Environment Technology Co ltd
Current assignee: Chongqing Fengmiao Ecological Environment Technology Co ltd
Priority date: 2021-04-07
Filing date: 2021-04-07
Publication date: 2021-07-13
Anticipated expiration: 2041-04-07
Also published as: CN113105222B

Abstract

本发明属于以氧化物为基料制备莫来石技术领域，公开了一种利用铝灰制备莫来石的方法，向铝灰原料内加入升温剂，并对铝灰原料和升温剂进行翻炒，使得铝灰原料处于高温状态下，铝单质形成铝熔体，并逐渐汇集；将汇集的铝熔体导出冷却，形成铝块，并剩下二次铝灰粉末；向二次铝灰粉末内加入硅粉和添加剂混合均匀，形成混合物料，并对混合物料进行球磨；再将球磨后的混合物料导入回转窑内进行烧结，生成莫来石；使用的添加剂为二氧化锰和氧化锌的混合物。本发明提供的利用铝灰制备莫来石的方法，能够将铝灰进行无害化、资源化处理，减少对生态环境的影响，同时完成资源再利用。

Description

利用铝灰制备莫来石的方法

技术领域

本发明属于以氧化物为基料制备莫来石技术领域，具体涉及一种利用铝灰制备莫来石的方法。

背景技术

铝是地壳中含量仅次于氧和硅的元素，是地壳中含量最丰富的金属元素，广泛应用于航空、建筑、汽车等领域。随着社会的发展与进步，我国原铝和铝材的产量和消耗量呈上升趋势，至2017年，我国的铝材产量已经达到了5832万吨/年，原铝产量达到了3630万吨/年。在生产原铝和铝材的过程中均会产生铝灰，每生产1吨原铝，会产生约30～50kg铝灰；加工利用1吨铝材，会产生约30～40kg铝灰。因此，每年会产生大约400万吨的铝灰。若铝灰不能妥善的处置，便会大量的堆积，对生态环境造成极大的危害。

发明内容

本发明意在提供一种利用铝灰制备莫来石的方法，能够将铝灰进行无害化、资源化处理，减少对生态环境的影响，同时完成资源再利用。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案，利用铝灰制备莫来石的方法，包括以下步骤：

步骤一：铝灰预处理

向铝灰原料内加入升温剂，并对铝灰原料和升温剂进行翻炒，使得铝灰原料处于高温状态下，铝单质形成铝熔体，并逐渐汇集；将汇集的铝熔体导出冷却，形成铝块，并剩下二次铝灰粉末备用；

步骤二：烧结

向二次铝灰粉末内加入硅粉和添加剂混合均匀，形成混合物料，并对混合物料进行球磨；再将球磨后的混合物料导入回转窑内进行烧结，生成莫来石；

使用的添加剂为二氧化锰和氧化锌的混合物。

本技术方案的技术原理：

本技术方案，先对铝灰进行预处理，能够将铝灰中的单质铝提取出，并对单质铝进行回收，实现对铝资源的循环利用；再向残留下的二次铝灰内加入硅粉进行烧结，与此同时，还加入包括二氧化锰和氧化锌的添加剂，降低可发生固相反应的温度，实现低温烧结。

本技术方案的有益效果：

1、本技术方案中，先对铝灰中的单质铝进行回收，能够实现对铝灰进行资源化利用，减少对环境污染的同时，提高资源利用率；

2、本技术方案中，利用二次铝灰进行烧结，形成莫来石，能够对提取单质铝后的残留物进行利用，进一步提高资源回收、利用率；

3、本技术方案通过先对铝灰中的单质铝进行回收，能够减少二次铝灰中单质铝的量，二次铝灰中的主要物质为氧化铝，因此能够实现莫来石的快速合成；

4、本技术方案中，通过加入包括二氧化锰和氧化锌的添加剂，使得二次铝灰、硅粉和添加剂混合形成混合物料再进行烧结，由于混合物料中各种金属氧化物的混合，使得物料的熔沸点降低，能够实现低温烧结，减少能源的使用。

综上所述，本技术方案能通过低温烧结的方式形成莫来石，减少烧结过程中能源的消耗；同时通过在烧结前，将铝灰中的单质铝提取出，使得烧结用的二次铝灰中的主要成分为氧化铝，能快速生成莫来石，并提高莫来石的质量。通过本技术方案提供的方案，能够解决铝灰对环境的污染问题，保护水体、环境空气、生态环境及人群健康，并且实现铝灰的资源化利用，变废为宝。

进一步，步骤一中的升温剂使用铝热剂。

有益效果：使用铝热剂作为升温剂，能够在翻炒的过程中，能够实现快速升温，且温度可达到2500℃，因此使得单质铝快速变成熔体析出，方便提取单质铝。并且使用铝热剂能减少向铝灰内导入杂质，提高最后形成的莫来石的质量。

进一步，步骤一中的铝灰原料经过两次球磨、筛分后形成粒径小于100目的二次铝灰粉末。

有益效果：通过两次球磨，能够完成对铝灰较为充分的研磨，并对使用的二次铝灰粉末的粒径进行设置，能方便后续与硅粉、添加剂混合后进行固相反应。

进一步，步骤一中添加的铝热剂重量为铝灰原料重量的0.05～0.15％。

有益效果：对铝热剂的重量进行配置，能够实现单质铝的提取率高，且铝热剂的使用率小，减少成本。

进一步，步骤二中使用的硅粉和添加剂均为粒径小于100目的粉末。

有益效果：对硅粉和添加剂的粒径进行设置，能使得混合物料进行固相反应的效果佳。

进一步，步骤二中使用的添加剂中二氧化锰与氧化锌的重量比为6:4。

有益效果：对添加剂中二氧化锰和氧化锌进行设置，能够有效降低固相烧结反应温度。

进一步，步骤二中二次铝灰、硅粉和添加剂的重量比为0.77～0.8：0.13～0.14：0.06～0.1。

有益效果：对二次铝灰、硅粉和添加剂的重量进行配置，能够使得制备的莫来石的质量佳。

进一步，步骤二中混合物料的烧结温度为1200℃，烧结时间为60～80min。

有益效果：1200℃的温度便能实现混合物料烧结成莫来石，避免使用高温而出现能源浪费的问题。本技术方案相比现有技术需要使用1500℃以上的温度进行烧结，能大大节约能源的消耗。

进一步，步骤二中，烧结时，向回转窑内通入氧气。

有益效果：向回转窑内通入氧气，能够完成充分燃烧，提高烧结的效果和效率。

发明人通过向铝灰内加入升温剂一起翻炒，配合升温剂，使单质铝发生铝热反应(铝热反应可达2500℃)，即单质铝在高温的条件下进行的氧化还原反应，体现出了铝的强还原性，由于氧化铝的生成焓(-1645kJ/mol)极低，故反应会放出巨大的热，使金属铝熔化为液体，形成铝熔体。通过将铝熔体导出冷却，能够形成铝块，实现对铝灰中的铝单质进行回收利用。

在导出铝熔体后，二次铝灰中的主要物相为AlN、MgAl₂O₄、AL、Al₂O₃和少量氯盐、钾盐和氟化物，其主要成分为铝的氧化物，但是夹杂有较多的有害物质，若直接将其排放，会对土壤、大气和水体造成较为严重的污染。

二次铝灰的传统处理方式是采用湿法对二次铝灰进行稳定化处置，使二次铝灰中的AlN生成氨气；氯化物、氟化物溶解于水中，可溶氟化物主要以氟化钠的形式存在，通过加入钙离子，将可溶氟化物固化为难溶无害的氟化钙沉淀，达到无害化的目的；可溶性氯化物通过水处理方式得到处置。在湿法稳定二次铝灰的过程中，消耗了大量的水资源，放出大量氨气需要处置，并且生产过程中产生了大量的废水需要处置，整体处置工艺繁琐，不利于大量铝灰的资源化利用。

在对二次铝灰的处理方式进行研究的过程中，发明人将其用于生成莫来石，并在研发的过程中发现，在添加硅粉之外，添加包括二氧化锰与氧化锌的添加剂，添加剂能促进刚玉相和石英相向莫来石相转变，锰离子的存在使二氧化锰与二氧化硅发生反应，使得石英相减少，当加到一定量时，不以二氧化硅形式存在的硅元素大量增多而与刚玉相反应生成莫来石相；而氧化锌作为混合物成分加入可降低反应原料熔沸点能够使得烧结时发生固相反应的温度变低，在1200℃下(传统的莫来石生产工艺需要在1500℃以上的温度下形成莫来石)，便能完成固相反应，形成莫来石，且莫来石的质量佳。而且，在烧结的过程中，F、Cl基本完全挥发(脱除)，AlN的氧化率达到98％以上，脱除AlN中的N。

综上，本技术方案，能够充分的对铝灰中的单质铝进行回收利用，同时将二次铝灰进行资源化利用，烧结形成莫来石，并且在烧结的过程中将有害物质脱除，使得制备的莫来石的质量佳。整个制备过程中的能源消耗较少，在完成资源回收利用、减少环境污染的同时实现低能耗。

附图说明

图1为本发明利用铝灰制备莫来石的方法的流程框架图；

图2为本发明中实施例1-3和对比例1-3的莫来石的XRD图谱；

图3为本发明中实施例1-3和对比例1-3的莫来石的扫描电镜图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

利用铝灰制备莫来石的方法，基本流程如图1所示，包括以下步骤：

步骤一：铝灰预处理

(1)将铝灰原料输送至球磨机内进行球磨，并利用连体分级筛筛分出大颗粒物质和粒径小于100目的小颗粒物质，将小颗粒物质进行储存备用；铝灰中的单质铝会残留在大颗粒物质内；

(2)将筛分出的大颗粒物质输送至球磨机内进行二次球磨，并利用连体分级筛筛分出大颗粒物质和粒径小于100目的小颗粒物质，将小颗粒物质进行储存备用；铝灰中的单质铝会残留在大颗粒物质内；

(3)将步骤(2)中的大颗粒物质输送至全自动铝灰处理设备内，并向全自动铝灰处理设备内加入升温剂和氧化剂，加入的升温剂的重量为加入的大颗粒物质的重量的0.05～0.15％，优选0.1％的比例；添加的氧化剂重量为升温剂重量的0.1-0.5％，氧化剂使用双氧水。本实施例中升温剂使用铝热剂，铝热剂为铝粉和三氧化二铁粉末的混合物，使用时加入氧化剂点燃，反应得到氧化铝和单质铁并放出大量的热，温度可达2500℃。

大颗粒物质与升温剂、氧化剂在全自动铝灰处理设备内进行翻炒，并点燃铝热剂，会使得大颗粒物质内夹杂的铝热剂持续氧化放热，铝灰的温度升高，单质铝形成熔体，并从全自动铝灰处理设备底部流出，再对单质铝熔体进行冷却，形成铝块；并且全自动铝灰处理设备中会残留有粉末。

将步骤(1)、(2)中的小颗粒物质和步骤(3)中残留的粉末混合，并冷却，形成二次铝灰备用。

步骤二：烧结

(1)将石英砂利用球磨机进行球磨，筛选出小于100目的硅粉，形成的硅粉中的主要成分为：95～99％的二氧化硅、0.06～0.02％的三氧化二铁以及一些杂质，杂质的含量极其微弱可忽略不计。

(2)配置添加剂，添加剂的主要成分为：60％的二氧化锰和40％氧化锌；并将配置添加剂进行球磨，筛选出粒径小于100目的粉末备用。

(3)将制备的硅粉和添加剂粉末与步骤一中的二次铝灰混合。再将配置好的二次铝灰、硅粉和添加剂投放至球磨机内进行球磨、均化，形成混合物料备用。

(4)将混合物料输送至回转窑内，使混合物料在1200℃下进行烧结；在烧结的过程中，向回转窑内通入氧气，烧结60～80min后生成莫来石(3AI₂O₃·2SiO₂)块体。

烧结时，固相反应的方程式为：

2Al+3O₂＝2Al₂O₃(二次铝灰中残留的单质铝)

2AlN+3/2O₂＝Al₂O₃+N₂(温度1200℃)

2SiO₂+3Al₂O₃＝3Al₂O₃·2SiO₂(温度1200℃)

(5)将莫来石块体从回转窑内取出，进行冷却后，输送至球磨机内进行球磨，根据实际的需求，研磨出合适粒径的莫来石粉末；再进行包装，形成莫来石成品。

实验：

根据上述方法进行操作，烧结形成莫来石，经过铝灰预处理后形成的二次铝灰的主要成分如表1所示。

表1

物相

Al

Al2O3

AlN

SiO2

MgAl2O4

NaAl11O17

NaCl

KCl

含量(％)

1～10

20～50

15～30

2～10

3～25

2～10

2～6

2～5

根据二次铝灰、硅粉和添加剂的不同配比，设置3组实施例和5组对比例进行试验，具体参数如表2所示。

表2

	实施例1	实施例2	实施例3	对比例1	对比例2	对比例3
							二次铝灰(g)	80	78.5	77	84	83	81.5
硅粉(g)	14	13.5	13	16	15	14.5
							添加剂(g)	6	8	10	0	2	4

实施例1为掺杂6wt％的添加剂，实施例2为掺杂8wt％的添加剂，实施例3为掺杂10wt％的添加剂；对比例1为掺杂0wt％的添加剂，对比例2为掺杂2wt％的添加剂，对比例3为掺杂4wt％的添加剂。

实施例1-实施例3和对比例1-对比例3均根据上述方法中的烧结步骤进行二次铝灰的烧结，形成莫来石。对比例4为文献《添加剂对铝厂工业废渣研制的莫来石晶相结构的影响》中提出的烧结方法，利用铝厂工业废渣和硅石作为原料，硅灰粉尘作为矿化剂，高温烧结反应制备莫来石，烧结时的温度为1480℃，保温5h。对比例5为专利号为200610147651.9的专利《电熔莫来石的制造方法》，将铝灰在高温下煅烧后加入盐酸进行清洗烘干，再将铝灰与铝矾土和硅石配比后，在电弧炉中熔炼(熔炼温度为1900～2100℃)，得到莫来石。

实施例1-实施例3、对比例1-对比例3形成的莫来石的XRD图谱如图2所示。通过图2可以看出，对比例2和对比例3的莫来石的物相组成为刚玉相和石英相；实施例1的莫来石的主要物相是莫来石相，石英相与刚玉相的衍射强度都大大降低；实施例2和实施例3的莫来石中只存在刚玉相和莫来石相。从以上分析可以得出，添加剂能促进刚玉相和石英相向莫来石相转变，对莫来石晶相的形成有促进作用。

实施例1-实施例3、对比例1-对比例3形成的莫来石的扫描电镜图如图3所示。通过图3可以看出，对比例2和对比例3的莫来石的微观结构中是贯向生长的刚玉晶体，未发现莫来石结构。实施例1的莫来石中可以观察到大量的棒状莫来石晶体及附着在莫来石上的刚玉晶粒。实施例2和实施例3的莫来石在莫来石相出现的同时，刚玉相继续生长。

而对比例4中通过添加4％的硅灰粉尘矿化剂，使得体系内稳定态莫来石(3Al₂O₃·2SiO₂)的含量为88.1％，莫来石晶体为针状或长柱状。对比文件4能够生成莫来石，但是其能源消耗非常大，对于资源的回收再利用来说，成本太高，而且不适合工业化推广、应用；而且铝厂工业废渣金属铝含量高，在高温烧结过程中会氧化为氧化铝(刚玉同质异像主要有三种变体α-Al₂O₃、β-Al₂O₃、γ-Al₂O₃)，导致生成的莫来石的刚玉相含量高，影响莫来石的质量。

对比例5中，铝灰虽然进行了预处理，但是没有对铝灰中的单质铝进行回收，使得在煅烧时，金属铝表面生成了抗温氧化铝膜，而内部仍然是金属铝，使得后续合成莫来石的效率降低；而且采用盐酸对煅烧后的铝灰进行处理，盐酸溶解了大量氧化铝，其产生大量废液没有办法处置，会对环境造成影响，还降低了铝灰中氧化铝含量，影响电熔莫来石的品质；整个过程中需要添加铝矾土，会消耗大量的矿产资源，对于资源回收利用的意义不大，同时还会高温烧结，还会消耗大量的能源。

综上所述，本发明通过对铝灰进行预处理，将铝灰中的单质铝提取出，完成单质铝的资源回收利用；同时，通过向二次铝灰中加入硅粉和添加剂，通过形成的混合物料的元素改变，降低发生固相反应的温度，并且能形成莫来石，形成的莫来石中氧化铝的含量为62％，符合莫来石产品质量行业标准的要求。通过对方法的配置，能够实现对铝灰进行资源回收利用，在回收的过程中也不会产生大量污染环境的物质，同时能源消耗低，符合节能减排的要求。

而通过对添加剂的添加量进行配置，能够在添加剂的添加量为6wt％时，形成的莫来石的石英相完全消失，莫来石相大量发育(莫来石相在95％以上)，使得制备的莫来石的质量佳。

对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案构思的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本专利实施的效果和专利的实用性。

Claims

1.利用铝灰制备莫来石的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：铝灰预处理

步骤二：烧结

使用的添加剂为二氧化锰和氧化锌的混合物。

2.根据权利要求1所述的利用铝灰制备莫来石的方法，其特征在于：步骤一中的升温剂使用铝热剂。

3.根据权利要求2所述的利用铝灰制备莫来石的方法，其特征在于：步骤一中的铝灰原料经过两次球磨、筛分后形成粒径小于100目的二次铝灰粉末。

4.根据权利要求3所述的利用铝灰制备莫来石的方法，其特征在于：步骤一中添加的铝热剂重量为铝灰原料重量的0.05～0.15％。

5.根据权利要求4所述的利用铝灰制备莫来石的方法，其特征在于：步骤二中使用的硅粉和添加剂均为粒径小于100目的粉末。

6.根据权利要求5所述的利用铝灰制备莫来石的方法，其特征在于：步骤二中使用的添加剂中二氧化锰与氧化锌的重量比为6:4。

7.根据权利要求6所述的利用铝灰制备莫来石的方法，其特征在于：步骤二中二次铝灰、硅粉和添加剂的重量比为0.77～0.8：0.13～0.14：0.06～0.1。

8.根据权利要求7所述的利用铝灰制备莫来石的方法，其特征在于：步骤二中混合物料的烧结温度为1200℃，烧结时间为60～80min。

9.根据权利要求8所述的利用铝灰制备莫来石的方法，其特征在于：步骤二中，烧结时，向回转窑内通入氧气。