CN106077040B - 一种超声波辅助碱浸处理铝电解废旧阴极炭块的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超声波辅助碱浸处理铝电解废旧阴极炭块的方法，属于铝电解固废资源回收技术领域。本发明将铝电解废旧阴极炭块破碎后加入碱液中浸出，过滤得到炭粉和第一滤液；碱浸过程在超声波环境中进行；将CO2通入第一滤液，析出晶体，过滤得到冰晶石、氢氧化铝混合物和第二滤液，第二滤液回用。本发明工艺简单、操作便利，超声波与碱浸协同作用加快了反应速率，提高了产物炭粉的纯度，所得炭粉的纯度最大为97.92％，生产周期70min。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声波辅助碱浸处理铝电解废旧阴极炭块的方法，属于铝电解固废资源回收技术领域。
背景技术
铝电解槽内衬建构在钢铁框架中，由炭、碳化硅、耐火砖、保温砖、硅酸钙板等材料构成。生产过程中，槽内衬不可避免地受到高温电解质和铝液、金属钠等物质的渗透腐蚀，导致内衬结构发生变形、破裂，槽内的铝液和电解质从裂缝漏出。一般新电解槽使用3～6年后就需要停槽大修，产生的废槽衬是铝电解生产过程中最主要的固体废弃物。研究表明，每电解生产一吨原铝会产生30kg左右废槽衬。2015年中国原铝产量3141万吨，废槽衬排放量近百万吨。
铝电解生产排出的废槽衬是极其有害的固体废物，其可溶氟化物和氰化物含量严重超标。受风吹、日晒、雨淋的作用，废槽衬中有害物质将发生转移：进入大气、渗入土壤和地下水，对生态环境造成破坏，严重影响人类健康和动植物生长。
废槽衬的处理方法，分为湿法和火法两大类，有多项相关专利。废槽衬火法处理技术因其工艺流程短、操作简单、投资少等优势逐渐发展为处理废槽衬的主导技术。
专利CN101357367A提供一种利用煤矸石处理铝电解槽废槽衬的方法，经过：原料破碎、磨细，将添加量为废槽衬质量10％～30％的煤矸石及废槽衬质量5％～35％的生石灰与废槽衬混合均匀；在温度为900℃～1200℃条件下，焙烧40min～70min，焙烧物磨细至粒度小于0.074mm，用浓度为0.5％～5％的石灰水浸出残余的可溶氟离子，浸出时间为30～60min，之后进行过滤，滤液收集后作它用，滤渣回收即为可用物。
专利CN104984984A公开了一种铝电解槽大修渣资源化无害化处理方法及***，该方法包括：1)将大修渣粉料与硫酸混合，搅拌浸取得混合浆料A；2)将混合浆料A加热，在负压条件下使氰化氢逸出并用碱性溶液吸收，得混合浆料B；3)向混合浆料B中加入浮选剂进行浮选，得底层泥浆和表层泥浆，底层泥浆经固液分离得粗冰晶石和混合液A；4)向混合液A中加入除铝剂搅拌反应后，固液分离得粗氢氧化铝和混合液B；5)向浮选所得表层泥浆和混合液B中分别加入除氟剂搅拌反应，固液分离。
专利CN1895803A公开了一种处理铝电解槽废槽衬的方法：将废槽衬破碎，加入粉煤灰、生石灰均匀混合、磨细至粒度小于0.074mm后制团，在900～1100℃温度下焙烧30～90分钟；焙烧后物料磨细至粒度小于0.074mm，用浓度为0.5％～5％的石灰水浸出残余的可溶F-过滤，所得滤液可作为纯碱工业和氧化铝工业的原料，滤渣可作为水泥工业和耐火材料工业的原料。
专利CN102161049A公开了一种铝电解槽废旧阴极炭块的综合利用方法，其特征是：将经过分拣、破碎、磨粉、除灰及干燥后的废旧阴极炭块作为高炉炭块、电炉炭块、电解槽阴极炭块、电解槽侧部炭块、电解炭块、自焙炭块或碳素糊料生产用原料使用。
专利CN102502641A公开了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，生产工艺为：将赤泥磨矿处理至粒度小于0.074mm的部分占整体的比例不小于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不小于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。
铝电解废槽衬处理方法较多，但由于其技术和经济效益制约，应用于工业化大规模处理的工艺较少。如何降低或消除铝电解废槽衬有害物质对环境的影响，使之更加合理有效地实现废物再利用，是当前铝冶金从业者面临的一个重要难关。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种超声波辅助碱浸处理铝电解槽废旧阴极炭块的方法。
本发明一种超声波辅助碱浸处理铝电解废旧阴极炭块的方法，包括以下步骤：
步骤一
将铝电解槽废旧阴极炭块破碎，得到备用颗粒；
步骤二
将步骤一得到的备用粉料加入碱液中超声浸出，浸出后过滤，得到炭粉和第一滤液；
步骤三
向步骤二所得第一滤液通入CO2，产生沉淀，过滤得冰晶石、氢氧化铝混合物和第二滤液，第二滤液返回步骤二重复利用。
本发明一种超声波辅助碱浸处理铝电解废旧阴极炭块的方法，步骤一中，所述备用颗粒中，粒径小于200目的颗粒占备用颗粒总质量的50％-100％。
本发明一种超声波辅助碱浸处理铝电解废旧阴极炭块的方法，步骤二中，碱液中溶质选自NaOH、KOH、LiOH、RbOH中的至少一种，优先选择NaOH。
本发明一种超声波辅助碱浸处理铝电解废旧阴极炭块的方法，步骤二中，所述碱液中OH—的浓度为1-5mol/L，优先选择2-4mol/L。
本发明一种超声波辅助碱浸处理铝电解废旧阴极炭块的方法，步骤二中，将备用颗粒加入碱液中浸出时，控制浸出温度为25-100℃、优选70-90℃，时间30-180min、优选60-90min，液固比为5-10:1，搅拌速率400-1000r/min
本发明一种超声波辅助碱浸处理铝电解废旧阴极炭块的方法，步骤二中，超声波频率25-40KHz、优选40KHz，功率为50-600W、优选150-300W，处理时间10-180min、优选20-40min。
本发明一种超声波辅助碱浸处理铝电解废旧阴极炭块的方法，步骤三中，所述向第一滤液中通气按流量5-100L/h、优选15-40L/h通入CO2，通气时间5-30min、优选10-20min，产生沉淀，过滤分离得到冰晶石、氢氧化铝混合物和第二滤液，第二滤液返回步骤二循环使用。
本发明一种超声波辅助碱浸处理铝电解废旧阴极炭块的方法，所得炭粉的纯度最大为97.92％。
本发明一种超声波辅助浮选加压碱浸综合回收铝电解废旧阴极炭块的方法，整个工艺的周期为70min(不包括粉碎备料过程)。在工业化应用时，整个周期可以缩短至1小时。
本发明一种超声波辅助浮选加压碱浸综合回收铝电解废旧阴极炭块的方法，通过各工艺以及条件参数的协同作用，取得了意想不到的效果，尤其是在超声波频率为40KHz、超声波功率为200W时，在碱液中超声浸出10min；碳的回收率大于等于97.05％。
具体实施方式
下面结合具体实施例作进一步说明，但本发明并不因此而受到任何限制。
实施例1
取国内某厂铝电解槽废旧阴极炭块10g，主要元素含量为(wt％)：C 60.9、Al12.23、O 9.55、F 5.38、Na 4.57，破碎至-200目占90％，按液固比8:1将破碎粉料加入NaOH浓度2mol/L的碱液中，碱浸过程在超声波环境中保温进行，恒温90℃，搅拌速度700rpm，碱浸时间60min，超声波频率40KHz，功率200W，超声波处理时间30min；过滤得到炭粉和滤液，干燥后得到6.22g纯度97.89％的炭粉。
碱浸滤液按25L/h通入CO2气体，通气10min，过滤得到电解质粉体，滤液回用。
整个工艺周期为70min(不包括破碎备料过程)，所得炭粉纯度为97.89％。
对比例
取国内某厂铝电解槽废旧阴极炭块10g，主要元素含量为(wt％)：C 60.9、Al12.23、O 9.55、F 5.38、Na 4.57，破碎至-200目占90％，按液固比8:1将破碎粉料加入NaOH浓度2mol/L的碱液中，碱浸过程在水浴锅中保温进行，恒温90℃，搅拌速度700rpm，碱浸时间60min；过滤得到炭粉和滤液，干燥后得到7.04g纯度86.46％的炭粉。
碱浸滤液按25L/h通入CO2气体，通气10min，过滤得到电解质粉体。
整个工艺周期为70min(不包括破碎备料过程)，所得炭粉纯度为86.46％。
实施例2
取国内某厂铝电解槽废旧阴极炭块10g，主要元素含量为(wt％)：C 60.9、Al12.23、O 9.55、F 5.38、Na 4.57，破碎至-200目占50％，按液固比10:1将破碎粉料加入NaOH浓度3mol/L的碱液中，碱浸过程在超声波环境中保温进行，恒温100℃，搅拌速度700rpm，碱浸时间90min，超声波频率40KHz，功率50W，超声波处理时间50min；过滤得到炭粉和滤液，干燥后得到6.26g纯度97.31％的炭粉。
碱浸滤液按50L/h通入CO2气体，通气12min，过滤得到电解质粉体，滤液回用。
整个工艺周期为100min(不包括破碎备料过程)，所得产物炭粉纯度为97.31％。
实施例3
取国内某厂铝电解槽废旧阴极炭块10g，主要元素含量为(wt％)：C 60.9、Al12.23、O 9.55、F 5.38、Na 4.57，破碎至-200目占90％，按液固比8:1将破碎粉料加入NaOH浓度5mol/L的碱液中，碱浸过程在超声波环境中保温进行，恒温90℃，搅拌速度1000rpm，碱浸时间180min，超声波频率25KHz，功率600W，超声波处理时间180min；过滤得到炭粉和滤液，干燥后得到6.22g纯度97.92％的炭粉。
碱浸滤液按5L/h通入CO2气体，通气30min，过滤得到电解质粉体，滤液回用。
整个工艺周期为210min(不包括破碎备料过程)，所得炭粉纯度为97.92％。
实施例4
取国内某厂铝电解槽废旧阴极炭块10g，主要元素含量为(wt％)：C 48.86、Al14.02、O 15.97、F 10.08、Na 4.58，破碎至-200目占90％，按液固比5:1将破碎粉料加入NaOH浓度1mol/L的碱液中，碱浸过程在超声波环境中保温进行，恒温90℃，搅拌速度400rpm，碱浸时间60min，超声波频率40KHz，功率150W，超声波处理时间30min；过滤得到炭粉和滤液，干燥后得到5.1g纯度97.61％的炭粉。
碱浸滤液按10L/h通入CO2气体，通气30min，过滤得到电解质粉体，滤液回用。
整个工艺周期为90min(不包括破碎备料过程)，所得炭粉纯度为97.61％。
实施例5
取国内某厂铝电解槽废旧阴极炭块10g，主要元素含量为(wt％)：C 48.86、Al14.02、O 15.97、F 10.08、Na 4.58，破碎至-200目占100％，按液固比7:1将破碎粉料加入NaOH浓度2mol/L的碱液中，碱浸过程在超声波环境中保温进行，恒温80℃，搅拌速度600rpm，碱浸时间10min，超声波频率40KHz，功率200W，超声波处理时间10min；过滤得到炭粉和滤液，干燥后得到5.59g纯度87.38％的炭粉。
碱浸滤液按100L/h通入CO2气体，通气10min，过滤得到电解质粉体，滤液回用。
整个工艺周期为20min(不包括破碎备料过程)，所得炭粉纯度为87.38％。
实施例6
取国内某厂铝电解槽废旧阴极炭块10g，主要元素含量为(wt％)：C 48.86、Al14.02、O 15.97、F 10.08、Na 4.58，破碎至-200目占80％，按液固比8:1将破碎粉料加入NaOH浓度2mol/L的碱液中，碱浸过程在超声波环境中保温进行，恒温25℃，搅拌速度700rpm，碱浸时间60min，超声波频率25KHz，功率200W，超声波处理时间10min；过滤得到炭粉和滤液，干燥后得到5.05g纯度94.22％的炭粉。
碱浸滤液按100L/h通入CO2气体，通气5min，过滤得到电解质粉体，滤液回用。
整个工艺周期为65min(不包括破碎备料过程)，所得炭粉纯度为97.05％。
Claims (3)
1. 一种超声波辅助碱浸处理铝电解废旧阴极炭块的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一
将铝电解槽废旧阴极炭块破碎，得到备用颗粒；
步骤二
将步骤一得到的备用颗粒加入碱液中超声浸出，浸出后过滤，得到炭粉和第一滤液；所述碱液中OH-的浓度为1-5mol/L；所述碱液中溶质选自NaOH、KOH、LiOH、RbOH中的至少一种；
将备用颗粒加入碱液中浸出时，控制浸出温度为70-90℃，时间60-90min，液固比为5-10:1，搅拌速率400 -1000r/min；
所述超声浸出的频率为25-40KHz，超声波功率为50-600W，超声浸出时间10-180min；
步骤三
向步骤二所得第一滤液通入CO2，产生沉淀，过滤得冰晶石、氢氧化铝混合物和第二滤液，第二滤液返回步骤二重复利用。
2.根据权利要求1所述的一种超声波辅助碱浸处理铝电解废旧阴极炭块的方法，其特征在于：步骤一中，所述备用颗粒中，粒径小于200目的颗粒占备用颗粒总质量的50%-100%。
3.根据权利要求1所述的一种超声波辅助碱浸处理铝电解废旧阴极炭块的方法，其特征在于：步骤三中， CO2按通气量5-100L/h通入滤液，通气5-30min产生沉淀，过滤分离得到冰晶石、氢氧化铝混合物和第二滤液，第二滤液返回步骤二循环使用。
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