研究生知识库

废旧阴极(Spent Pot-lining, SPL)和赤泥是（Red Mud, RM）铝行业产生的最为重要的两大类固体废物，前者因铝冶炼电解槽碳素阴极失效而产生，富含大量的碳质成分、少量的氟及微量的氰，属于具有再利用价值的危险性废渣；后者是铝土矿拜耳法工艺提炼氧化铝后的高碱性（pH 10~12.5）残渣，主要成分为铁、铝、钠、硅、钙及钛的氧化物和氢氧化物，是典型的二次资源。因这两类废渣具有潜在的环境污染危害性及成分的复杂性，其高效清洁利用存在诸多难题。基于SPL富含约70%碳质的特点，本文突破对SPL有价成“先回收再利用”的常规复杂方法，提出利用SPL直接还原高铁赤泥回收有价成分（铁、铝、钠及镓）的技术思路，据此开展了还原性烧结-溶出-磁选实验，系统研究了赤泥中铁、铝及钠的回收效率与工艺参数的影响规律，评估了物料中有害元素氟、氰及硫的走向，探索了浸出液中镓的回收和磁选尾渣作为除氟试剂的效率。研究获得以下重要认识：（1）废旧阴极主要成分为C（81.96%），Na2O （6.95%）及Al2O3（2.28%），其中固定碳含量为73.79%，氟和氰含量分别为2.28% 及 487 mg/kg。浸出实验表明，其F- （615.3 mg/L）和CN -（11.5 mg/L） 浓度均大于危险废物鉴别标准，即浸出毒性鉴别GB5058.3-2007标准规定最高允许值，属于危险固体废弃物。（2）赤泥样品中含有Al2O3 17.22%，Fe2O3 35.05%和Na2O 6.79%，稀散金属镓含量高达71.6 mg/kg，皆具有回收价值。同时赤泥样品含SO3 0.54%，F含量大于0.12%，在熟料溶出过程中应予以考虑其溶出行为。XRD分析表明，赤泥中主要物相为赤铁矿(Fe2O3)、方解石(CaCO3)、一水硬铝石(AlO(OH))、三水铝石(Al(OH)3)、针铁矿(FeOOH)和黝帘石Ca2Al3(SiO4)(Si2O7)O(OH)。（3）空气氛围条件下还原性烧结实验表明，不调整混合料碱比钙比，烧结温度范围850～1150 ℃，溶出条件：温度 80 ℃，时间60min，液固比6，搅拌强度300 r/min，所得熟料中Al2O3和Na2O的平均回收率分别仅为10.56%和17.55%，表明赤泥自身含有的Na2O和CaO不具备反应活性；加入添加剂调整混合料钙比和碱比，铝钠回收效率显著提升，950 ℃烧结熟料中，其Al2O3和Na2O回收率分别为75.73% 和90.45%。再者，该烧结条件下，物料中大部分氟得到了固定，氰完全分解，但Fe2O3还原效率不到25%，硫还原效率不理想，可能是高温阶段被还原的铁和硫在低温过程中再次被氧化。（4）氮气氛围还原性烧结实验：以铝、钠回收率及铁的还原率为目标，通过单因素和正交实验，获得最适宜的无氧还原性烧结工艺为：烧结温度：950 ℃，钙比C/S=1.9（C/T=1.0），4倍废旧阴极理论添加量，碱比 N/A=1.0，烧结时间120 min, 该条件下，熟料在温度 80 ℃，时间60 min，液固比6，搅拌强度300 r/min条件下溶出，三组平行实验结果为：Al2O3平均回收率84%，Na2O平均回收率91.76%（赤泥中钠的平均回收率78.43%），相应的Al2O3和Na2O的平均净溶出率分别为82.78%和91.14%；Fe2O3平均还原率78.72%，平均金属化率为63.86%。氟的浸出率平均17.72%，损失率平均32.16%，硫的平均浸出率31.39%，表明铝钠回收率及铁的还原效率较好，大多数的氟和硫实现了安全转化。（5）熟料中铝钠溶出工艺的优化表明，最适宜溶出条件：熟料30g（ ≤ 0.150mm），Na2CO3 30 g/L，温度 50 ℃，时间30 min，液固比8，搅拌强度300 r/min，该条件下，熟料中铝、钠、镓的溶出效率依次为87.41%， 92.51%（赤泥中钠的溶出率79.68%）和90.41%，硅钙溶出率较低，分别为3.02%和0.36%，所得浸出渣TFe2O3含量为38.89%，表明还原性烧结工艺可实现赤泥中铝、钠、镓与铁、硅、钙的有效分离。浸出溶液中主要的成分为氧化铝和氧化钠，两者浓度分别为12.09 g/L和23.20 g/L，Ga2O3浓度为7.19 mg/L。 （6）浸出渣的磁选实验表明：磁选强度140 mT，精矿产出率30.83%，精矿TFe含量为59.09%，折合TFe2O3 84.41%，铁的回收率为65.25%。所得精矿主要成分是金属铁、磁铁矿、氧化铁及少量的钙硅矿物，可作为炼铁原料。尾矿主要物质是氧化钙（46.91%）和氧化铁（20.03%）。（7）还原性烧结工艺所得熟料的溶出液中，镓以[Ga(OH)4]-的形式存在，采用循环浸出工艺预富集镓，经不同树脂对镓吸附特性实验，选择LSD-700作为镓吸附树脂，二次循环浸出液为镓吸附溶液。最适宜镓吸附条件为：树脂用量0.6 g/L，温度50 ± 0.5 ℃，接触时间24h，振荡速率120 r/min，镓的吸附效率为52.13%。采用酸法解吸负载树脂，实验条件，0.5 mol/L H2SO4，洗液量20 BV，室温（21 ℃），解吸时间4 h，振荡速率120 r/min，三组平行实验结果表明：镓的平均解吸率为92.29%，解吸溶液含镓平均为86.43 mg/L，比初次浸出溶液（7.19 mg/L）和二次循环浸出溶液（21.62 mg/L）分别富集了12倍和4倍。（8）磁选尾渣因含有铁、铝及硅氧化物或氢氧化物成分，携带≡MOH和≡MOH+ 2官能团，对溶液中负电性的氟离子具有吸附作用。除氟实验表明，最适宜条件为：溶液初始pH=5，尾渣15 g/L，温度40 ℃，接触时间30 min，除氟效率为72.19%，可考虑作为高氟废水处理的吸附剂。