经CaO煅烧和酸洗后，从铝渣中选择性去除SiO?，以制备低碳排放的Al?O?粉末

《Hydrometallurgy》：Selective removal of SiO 2 from aluminum dross to make Al 2O 3 powder with a low carbon emission, after CaO-calcination and acid washing

　　

•铝灰（AD）经过选择性溶解杂质后转化为Al?O?粉末
•粉末中Al?O?含量从73.7 wt%提高到86.7 wt%
•粉末中SiO?含量从4.6 wt%降低到0.8 wt%
•回收1000 kg铝灰，产生116美元收益，排放863 kg CO?

**引言**

铝灰（AD）是铝回收过程中产生的一种固体废弃物（Saravanakumar等，2018；Shen等，2021a；Shen等，2021b）。在铝熔炼过程中，铝熔体与空气中的氧气和氮气发生氧化反应，生成氧化铝（Al?O?）和氮化铝（AlN）。由于Al?O?和AlN密度较低，它们浮于铝熔体表面并形成铝渣。该铝渣含有30–70 wt%的铝，通过回转窑熔炼、球磨和筛分进行回收。残留粉末即为铝灰（AD）。全球每年产生超过600万吨铝灰，给环境安全带来了巨大压力（Shen等，2022；Lou等，2023；Shen等，2024a）。铝灰由Al?O?、AlN、金属铝、盐类及其他氧化物组成。当铝灰接触水时，AlN和金属铝可通过反应（1）和（2）水解（Li等，2018；Zhang等，2018；Liu等，2025），释放刺激性氨气和易燃氢气，从而造成环境风险。此外，铝灰中的盐类可溶解并随水迁移，导致水和土壤污染（Mahinroosta等，2019；Mahinroosta和Allahverdi，2021）。因此，开发铝灰处理技术迫在眉睫。

水解是一种常用的处理技术，可消除铝灰的环境风险。在超声、NaOH和丰富微气泡的辅助下，AlN被转化为Al(OH)?和NH?（Tang等，2022a；Wang等，2024；Luo等，2026）。然而，水解处理后铝灰中的铝资源未能回收。

AlN(s) + 3H?O(l) → Al(OH)?(s) + NH?(g)，ΔG° = ?157 kJ，25°C
2Al(s) + 6H?O(l) → 2Al(OH)?(s) + 3H?(g)，ΔG° = ?855 kJ，25°C

铝灰中含有丰富的铝资源，包括40–60 wt%的Al?O?、10–30 wt%的AlN、3–10 wt%的金属铝以及少量碳化铝（Lou等，2024；Shen等，2024b；Shen等，2025）。目前，回收铝灰生产Al?O?是一种有前景的铝灰处理与利用策略（Zauzi等，2016；Guo等，2018；Liu等，2024）。商用Al?O?通常通过拜耳法从铝土矿中提取生产，该工艺包括研磨、溶解、赤泥分离、结晶和煅烧。该工艺消耗大量铝土矿和能源，并产生赤泥。回收铝灰生产Al?O?既具有经济效益，又具有环境效益。可通过浸出、过滤、沉淀、进一步过滤、洗涤、干燥和煅烧从铝灰中生产Al?O?粉末（Yang等，2019；Tang等，2022b）。生产路线可分为酸浸法和碱浸法。在酸浸法中，铝灰中的Al?O?和AlN溶解于溶液中形成Al3?，随后在加入NaOH等碱后沉淀为Al(OH)?（David和Kopac，2013；Sarker等，2015；Mahinroosta和Allahverdi，2018a）。所得Al(OH)?经煅烧转化为Al?O?。在碱浸法中，铝灰中的Al?O?和AlN溶解于溶液中形成偏铝酸根离子（AlO??），随后在加入CO?等酸性物质后沉淀为Al(OH)?（El-Katatny等，2000；Dash等，2007；Nguyen和Lee，2019）。所得Al(OH)?经煅烧转化为Al?O?。然而，在铝从固体到液体再回到固体的转化过程中，消耗了大量酸/碱和能源。表1总结了目前铝灰的浸出技术。浸出液包括HCl、H?SO?和NaOH，浓度分别为1–7 mol/L（M）、15–98%和2–7 M。

本研究测试了一种通过选择性溶解杂质而非溶解Al?O?来生产Al?O?粉末的路线。铝灰中的铝经CaO煅烧后转化为具有高度化学稳定性的Al?O?。SiO?杂质与Al?O?和CaO反应生成Ca?Al?SiO?，该物质在酸洗过程中溶解于溶液中。通过计算氧化和溶解反应的吉布斯自由能，研究了煅烧和酸洗过程的热力学特性。采用X射线荧光光谱（XRF）、X射线衍射（XRD）和场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）分析研究了煅烧和酸洗过程中的微观反应机理。此外，还评估了该工艺的经济和环境效益，以探索其实际应用潜力。

**实验部分**

原材料包括铝灰（中国广东省）、NaOH（分析纯）、HCl（分析纯）和去离子水。铝灰的化学组成（以氧化物表示）见表3。Al?O?含量为73.7 wt%，表明其具有较高的生产Al?O?粉末潜力。MgO、SiO?、Fe?O?、Na?O、CaO、TiO?和Cl的含量分别为8.1、4.6、2.2、2.2、1.9、0.6和3.1 wt%。铝灰的相组成如图1所示。铝灰由AlN（PDF 46–1200，立方结构）等组成……

**煅烧和酸洗的热力学**

铝灰中的铝以AlN、刚玉（α-Al?O?）、Al和MgAl?O?的形式存在。AlN和Al反应活性高，可在酸中迅速溶解，如反应（3）和（4）所示。α-Al?O?和MgAl?O?分别具有密排六方结构和密排立方结构，使它们对酸和碱均具有高度抗性。铝灰经煅烧后，将反应活性高的AlN和Al转化为稳定的α-Al?O?。此外，在煅烧过程中，耐酸的SiO?与Al?O?和CaO反应生成……

**结论**

通过CaO煅烧和酸洗从铝灰中生产了Al?O?粉末。采用XRF、XRD和FE-SEM分析研究了微观反应机理。评估了该工艺的经济和环境效益，以探索其应用潜力。

在液固比10 mL/g、使用1 M HCl在90°C下酸洗3小时的条件下，Al?O?含量从73.7 wt%提高到79.9 wt%，而SiO?含量变化不大。经1200°C下CaO煅烧后，Al?C?含量……

**作者贡献声明**

Hanlin Shen：论文初稿撰写、数据整理、概念构思。Dongjie Luo：调查研究、形式分析。Junjie Zhang：资源获取、方法学。Xiaoyan Zhang：验证、软件操作。Bo Liu：论文审阅与编辑、监督、项目管理。

**未引用参考文献**

IPCC，2024

**利益冲突声明**

作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

**致谢**

本研究受中央高校基本科研业务费（编号：FRF-TP-26-067）、新疆维吾尔自治区重点研发计划（编号：2023B03007-2）、天山创新团队（编号：2023D14013）、北京科技大学顺德创新学院博士后科研基金（编号：2024BH001）和广东省基础与应用基础研究基金（编号：2023A1515110094）资助。作者感谢……

Hanlin Shen | Dongjie Luo | Junjie Zhang | Xiaoyan Zhang | Bo Liu