TW202246195A

TW202246195A - 鋁渣的安定化處理方法及鋁渣組成物

Info

Publication number: TW202246195A
Application number: TW110117989A
Authority: TW
Inventors: 洪熒鑫; 廖宴青
Original assignee: 釔銪鑫應用材料有限公司
Priority date: 2021-05-19
Filing date: 2021-05-19
Publication date: 2022-12-01

Abstract

一種鋁渣的安定化的處理方法，包含一研磨步驟以將一鋁渣與一助磨劑混合，在該研磨步驟中，該助磨劑包覆該鋁渣的表面，該助磨劑選自多元醇、硬酯酸鹽、醇胺類及偶聯劑所組成的群組的中的至少一種或多種的任意組合。經過上述的處理方法獲得的鋁渣組成物具備抗水解能力，故能減少鋁渣鋁灰生成氨氣的機會，有利鋁渣鋁灰再利用與資源化。

Description

鋁渣的安定化處理方法及鋁渣組成物

本發明關於一種鋁渣回收後再利用的安定化處理方法，用以將鋁渣鋁灰無害安定化與資源化，安定化處理方法所產生的鋁渣組成物能產生抗水解作用。

鋁為高活性金屬，在提煉鋁的冶煉過程中會伴隨著氧化反應的發生，再加上原料中含有機物等雜質進而導致鋁渣的產生。鋁渣中的主要成分由氧化鋁、金屬鋁、氮化鋁、碳化鋁、氧化矽及部分鹽類所組成，在鋁的一次冶煉生成的鋁渣稱作一次鋁渣灰，其含有40%~50%具回收價值的金屬鋁，所以會再次進行回收程序，經分離過後呈現粉末狀的鋁渣則稱為二次鋁渣灰，後續可繼續以球磨的方式，依據二次鋁渣灰中各成分物性的不同，在球磨後以篩網分離的方法將金屬鋁從二次鋁渣灰中分離出來，而殘留的混合物則稱為鋁灰。

目前國內處理鋁渣、鋁灰的方式大多以掩埋為主，然而，鋁渣灰中含有氮化鋁，極容易與環境中的水或是潮濕空氣進行化學反應，釋放出氨氣、氮、甲烷等氣體，直接掩埋容易造成環境的污染。因此在進行後續處理之前，會對鋁渣灰進行安定化或穩定化，所謂的安定化是使鋁渣灰的活性成分仍保有活性，而穩定化則是將鋁渣灰的活性成分失活。

本發明提供一種鋁渣的安定化處理方法，包含一研磨步驟以將一鋁渣與一助磨劑混合，該助磨劑選自多元醇、硬酯酸鹽、醇胺類及偶聯劑所組成的群組的中的至少一種或多種的任意組合。

上述的研磨步驟可以是在乾磨或濕磨的條件下進行的，該助磨劑於加熱霧化之後，噴灑至該鋁渣的表面，接著進行該研磨步驟，在研磨步驟的過程中，由於上述的助磨劑會包覆鋁渣的表面，助磨劑可以作為鋁渣的分散劑或表面改性劑，除了能控制鋁渣的粒徑，減少鋁灰粉末顆粒的結塊或再團聚，也能後在使研磨後的鋁渣粉體的表面形成保護層，而達到鋁渣鋁灰表面改性且抗水解的方法。因此，鋁渣組成物中所含的氮化鋁不會與水(H ₂O)反應，故能減少鋁渣鋁灰生成氨氣的機會，減少氨氣之釋出。

其中，該研磨步驟是透過球磨或輪輾來進行，助磨劑可以選擇性的在球磨或輪輾的過程之前與鋁渣混合，接著進行研磨步驟。在濕式研磨的條件下，該助磨劑是以該鋁渣的總重為基礎而添加50wt%以上的份量。在乾式研磨的條件下，該助磨劑是以該鋁渣的總重為基礎而添加3 wt%至5 wt% 的份量，在乾式研磨之後，還可以包含對上述的已研磨的鋁渣進行一風選步驟與一分篩步驟。

本發明還提供一種安定化的鋁渣組成物。

於一實施態樣中，提供一種鋁渣的安定化處理方法，包含一研磨步驟以將一鋁渣與一助磨劑混合，鋁渣是指在冶煉過程產生的一次鋁渣或二次鋁渣，在該研磨步驟中，該助磨劑包覆該鋁渣的表面，該助磨劑選自多元醇、硬酯酸鹽、醇胺類及偶聯劑所組成的群組中的至少一種或多種的任意組合。

多元醇是指擁有多個羥基的醇類，或者，為平均分子量介於200 至10000之間的且含有多個羥基的聚合物。於本實施態樣中，多元醇可以選自聚乙二醇(PEG)、聚烯烴基二醇(PAG)和二甘醇(DEG)的至少一種或多種。

助磨劑中也可以是帶有多個羥基的胺類化合物(或被稱之為醇胺類)，上述醇胺類可以是例如，二乙醇胺(DEA)、三乙醇胺(TEA)、三異丙醇胺(TIPA)、二乙醇單異丙醇胺(DEIPA)。

上述的助磨劑含有羥基，在研磨步驟的過程中同時作為包覆鋁渣鋁灰的表面改性劑，除了能控制鋁渣鋁灰的粒徑，減少鋁渣鋁灰粉末顆粒的團聚或再團聚，在研磨步驟能夠有較好的分散性，也能後在鋁渣鋁灰粉末的表面形成保護層，而達到表面改性目的。因此，鋁渣組成物中所含的氮化鋁(AlN)不會在與水反應，故能減少生成氨氣的機會，減少氨氣之釋出。

除此之外，在助磨劑中也可以添加硬酯酸鹽，作為潤滑劑。

助磨劑中的偶聯劑是用來作為表面改性劑，偶聯劑是一種同時具有能與無機粒子表面進行反應的極性基團，和與有機物有反應性或相容性的有機官能團的化合物。偶聯劑的一端能與粉體(即磨碎後的鋁渣)表面結合，對鋁渣進行表面改性，另一端可與分散介質有強的相互作用，因此可以提高粉體與其他聚合物材料的親和性，讓粉體在聚合物材料中的分散。故加入偶聯劑之後的鋁渣組成物能與塗料、樹酯之類的聚合物材料均勻混合，改善鋁渣組成物作為填充材料的分散度，並提高加工性能，增加回收鋁渣鋁灰的資源化的應用範圍。於本實施態樣中，偶聯劑可以選自矽烷類偶聯劑、鈦酸酯類偶聯劑和鋁酸酯偶聯劑。

於其中一實施態樣中，助磨劑的配方是以多元醇為主，此種助磨劑配方在研磨過程中作為鋁渣的分散劑，可以降低粉磨能耗、提高磨粉效率，例如，助磨劑配方為90wt% 的 PEG 400 以及10wt% 的硬脂酸鈉。於其中一實施態樣中，助磨劑的配方是包含多元醇以及偶聯劑，例如，助磨劑的配方為60wt%的PEG 400以及40wt% 的單烷氧基型鈦酸酯偶聯劑。

於其中一實施態樣中，研磨步驟是透過球磨機或輪輾機來進行，當鋁渣原料經破碎後即進入球磨機中進行研磨，將鋁渣磨成較小的尺寸。接著，透過篩網選擇性使達到預定尺寸的鋁渣進入輪輾機中進行細磨。

助磨劑可以選擇性的在球磨或輪輾的過程之前，透過高溫霧化噴灑至鋁渣的表面，接著進行研磨步驟。在濕式研磨的條件下，該助磨劑是以該鋁渣的總重為基礎(100wt%)，額外添加50wt%以上的份量，亦即，於5kg 的鋁渣中添加2.5kg以上的份量，進一步地，是額外添加65wt%至90wt%的份量。在乾式研磨的條件下，是額外添加3 wt%至5 wt% 的份量。

鋁渣中的主要成分由氧化鋁、金屬鋁、氮化鋁、碳化鋁、氧化矽及部分鹽類所組成，鋁渣中的金屬鋁會因敲打而型成片狀金屬鋁，加入助磨劑後，使鋁渣在研磨後擁有比較大的粒徑，且研磨後的尺寸達到均質，此外金屬碳化物的尺寸增加，並使金屬碳化物與金屬氧化物的篩選條件變得更顯著。

故在乾式研磨之後，還可以包含對上述的已研磨的鋁渣進行一風選步驟與一分篩步驟。風選步驟是將粒徑小且重量輕的氧化鋁受風力(負壓)牽引而達成集料目的，同時將約400目氧化鋁與其他的產物分離。分篩步驟是將研磨後的鋁渣依據粒徑進行篩選，例如，網目在10目以上可分篩出金屬鋁，10目至400目為金屬與氧化物混合物，400目以下為碳化鋁與金屬矽。

此種助磨劑可以避免待磨物產生團聚作用，而且由於包覆物產生了空間位阻斥力，使粒子再團聚十分困難，降低粉體的表面能使其處於穩定狀態達到表面改性的目的。這樣的鋁渣組成物，其活性成分(例如氮化鋁)的活性仍然被保留，因此可以被再次的資源化利用。

其中一乾式研磨的條件實施態樣中，以多元醇為主的助磨劑的配方，於進行球磨之前噴灑至鋁渣的表面。在另一實施態樣中，以多元醇以及偶聯劑為主的助磨劑的配方，於分篩、風選之前噴灑至鋁渣的表面。

於一實施態樣中，一種安定化的鋁渣組成物，可以透過上述的處理方法產生，由於在研磨過程中，助磨劑會包覆鋁渣的表面，能夠減少鋁渣中的氮化鋁水解以及氨氣的釋放，且鋁渣的各成分仍保持一定程度的活性，能提升此種回收鋁渣組成物的應用範圍。

以下提供助磨劑包含PEG的具體實施態樣，以更瞭解本發明的內涵。

鋁灰成分之定性定量分析

以X射線繞射分析(XRD)分析鋁灰中含有的成分種類，如表一所示。

表一鋁灰成分含量表

成分	比例(%)
金屬鋁(Al)	9.8%
氧化鋁(Al ₂O ₃)	18.8%
氮化鋁(AlN)	25.8%
鋁鎂氧化物(Al ₂MgO ₄)	22.3%
氧化鎳(NiO ₂)	0.3%
矽(Si)	2.8%
二氧化矽(SiO ₂)	4.9%
其他	15.2%

鋁灰之球磨實驗

在球磨之過程中可以將鋁灰中的成分依照延展性的不同，使延展性佳的金屬鋁在球磨過程中團聚，而其他延展性較低的氧化物則受球磨罐內的金屬球撞擊而越磨越細，因粒徑上的差異，最後可以篩分分離出金屬鋁並加以利用。

以PEG200、PEG400作為助磨劑進行鋁灰的球磨，實驗參數以300rpm運作10分鐘後取出樣品放置在透明試管中，並觀測其變化。結果顯示，PEG作為助磨劑則有良好的成效，在球磨後的樣品無明顯的氣泡產生，且球磨後亦無明顯氨氣之氣味。

請參閱圖1，為將鋁灰浸泡入水之嚴苛條件比對實驗，實驗組是將樣品處理PEG，對照組是沒有經過任何處理的鋁灰。從圖1中可以看出，浸泡在水中之鋁灰樣品有明顯的氣泡產生，而PEG的樣品則無，由此可知鋁灰添加PEG進行乾磨之後，在含有水環境下相對安定，藉由添加PEG做為助磨劑對鋁灰進行球磨則能相對穩定的進行球磨實驗。

球磨後鋁灰的粒徑分析

以粒徑分析儀(DLS)對球磨後的樣品進行量測分析，圖2的樣品僅有將鋁灰進行乾磨，圖3的樣品是將鋁灰與PEG400同時乾磨。結果所示，只有鋁灰(圖2)樣品有較寬的粒徑分布，且產生兩個分離的峰值，而以PEG進行球磨的樣品(圖3)則有較窄的粒徑分布。

這樣的結果，說明有添加PEG做為助磨劑之樣品，因PEG包覆於各顆粒之間，避免了顆粒彼此的接觸機會，降低了研磨後顆粒的團聚現象的發生，使粒徑有較窄的分布範圍，能夠使整體粒徑降低，並且避免團聚現象的發生。

球磨鋁灰的分析

請參閱圖4，是將球磨後之鋁灰乾燥後，以掃描式電子顯微鏡(SEM)對有/無添加PEG的樣品進行形貌的觀測。兩者之差異性為，含有PEG之樣品表面顆粒被類似高分子之物質所包覆。此結果與先前粒徑分析之結果相呼應，因PEG之包覆，降低顆粒間之接觸機會，抑制團聚現象的發生。

球磨後鋁灰的水解分析

以PEG作為助磨劑時，為了確認在球磨的過程中，PEG是否能對於鋁灰之水解達到一定程度上的效果，將以拉曼光譜(Raman analysis)進行分析。請參閱圖5，在上方的三個樣品(樣品a,b,c)中，無添加PEG及加水的鋁灰此兩個樣品在518 cm ^-1位置有峰值，為Al(OH) ₃之訊號，且Al(OH) ₃為鋁灰完全水解的產物，而以PEG做為助磨劑之鋁灰樣品則無此訊號。在下方的三個樣品(樣品d,e,f)中，AlOOH(半水解的暫態產物如下列化學式所示)的訊號亦有出現(284 cm ^-1及518 cm ^-1)於鋁灰及鋁灰加水之樣品中。

而添加PEG的樣品則不明顯，此結果可說明以PEG作為助磨劑進行鋁灰的球磨，能降低鋁灰在球磨過程中水解的機會。

無

圖1是鋁灰浸泡於水之嚴苛條件的結果圖。

圖2是乾磨後的鋁灰的粒徑分布圖。

圖3是鋁灰與PEG乾磨後的粒徑分布圖。

圖4是將球磨鋁灰乾燥後的SEM外觀圖。

圖5是水解球磨鋁灰的拉曼光譜圖。

Claims

一種鋁渣的安定化處理方法，包含一研磨步驟以將一鋁渣與一助磨劑混合，在該研磨步驟中，該助磨劑包覆該鋁渣的表面，該助磨劑選自多元醇、硬酯酸鹽、醇胺類及偶聯劑所組成的群組中的至少一種或多種的任意組合。
如請求項1所述之處理方法，其中，該多元醇選自聚乙二醇(PEG)、聚烯經基二醇(PAG)及二甘醇(DEG）的至少一種，該醇胺類為二乙醇胺(DEA)、三乙醇胺(TEA)、三異丙醇胺(TIPA)或二乙醇單異丙醇胺(DEIPA)，該硬酯酸鹽為硬酯酸鈉。
如請求項1所述之處理方法，其中，該助磨劑為多元醇、以及選自硬酯酸鹽、醇胺類及偶聯劑所組成的群組中的至少一種或多種。
如請求項1所述之處理方法，其中，該偶聯劑選自矽烷類偶聯劑、鈦酸酯類偶聯劑和鋁酸酯偶聯劑的至少一種。
如請求項1所述之處理方法，其中，該研磨步驟是透過球磨或輪輾來進行。
如請求項1所述之處理方法，其中，該助磨劑於加熱霧化之後，噴灑至該鋁渣的表面，接著進行該研磨步驟。
如請求項1所述之處理方法，其中，該助磨劑是以該鋁渣的總重為基礎而添加3 wt%至5 wt% 的份量。
如請求項7所述之處理方法，其中，在該研磨步驟後，更包含一風選步驟與一分篩步驟。
如請求項1所述之處理方法，其中，該助磨劑是以該鋁渣的總重為基礎而添加50wt%以上的份量。
一種鋁渣組成物，由請求項1至9中任一項所述之鋁渣的處理方法而獲得。