《Separation and Purification Technology》：Sustainable management of aluminum electrolysis: A review of harmless treatment of spent carbon anodes and closed cycle of valuable elements
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Jiarong Xiong|Bensong Chen|Hongying Xia|Xingyu Xu|Wanzhang Yang|Libo Zhang昆明理工大学冶金与能源工程学院，中国云南省昆明市650093摘要铝电解过程中产生的废弃物，如大规模维护残留物、铝灰和废旧碳阳极，被归
Jiarong Xiong|Bensong Chen|Hongying Xia|Xingyu Xu|Wanzhang Yang|Libo Zhang
昆明理工大学冶金与能源工程学院，中国云南省昆明市650093
摘要
铝电解过程中产生的废弃物，如大规模维护残留物、铝灰和废旧碳阳极，被归类为HW48类危险废物。其中，废旧碳阳极（SCA）含有高浓度的可溶性氟化物，对生态系统构成严重威胁。本文综述了SCA的组成、来源、物理化学性质、无害化处理方法、资源利用及发展前景。SCA的无害化处理方法包括湿法冶金（酸浸、碱浸和联合浸出）、火法冶金（焙烧、碱熔炼和真空冶炼）等。其资源利用的核心在于高纯度碳材料的回收以及氟化物的定向分离与转化。碳与氟化物的分离基于它们在酸性或碱性介质中的化学稳定性以及高温下的挥发性差异。经过深度脱氟处理后的碳可用作钢铁制造中的优质碳化剂，而再生氟化物（冰晶石或AlF3）可重新投入电解槽，实现碳-氟的闭合循环。未来对SCA的研究应侧重于多元素协同回收的综合工艺，以实现其在应用材料中的循环利用。
引言
铝在地壳中的质量占比为8.2%，是地壳中最丰富的金属元素。其工业提取过程通常遵循以下步骤：首先开采铝土矿[3]，通过拜耳法[82]将矿石转化为氧化铝，随后通过霍尔-埃鲁法[16]生产金属铝。所得铝随后被加工成广泛应用于建筑、交通和新能源等关键领域的各种终端产品。电解铝生产是产业链中能耗较高的核心环节，不仅需要大量电力投入，每年还会产生数百万吨危险固体废物[25]、[46]，对环境造成持续压力。电解铝制造过程中产生的主要危险固体废物包括废阴极碳块[9]、[67]、铝渣[7]、[32]和废旧碳阳极[12]、[79]。根据中国生态环境部的统计数据，每生产一吨原铝，大约会产生15–25公斤废阴极碳块[28]、15–40公斤铝渣[81]和60–100公斤废旧碳阳极。这些含氟的碳质固体废物被归类为国家危险废物名录中的HW48类，如果管理不当，可能对生态系统和公共健康造成长期潜在风险[78]。值得注意的是，废旧碳阳极的年产量超过200万吨，这一废物流已成为阻碍铝工业绿色低碳转型的重大瓶颈。
近年来，尽管在电解铝残余阳极的无害化处理和资源利用方面进行了大量研究，但大多数现有研究主要集中在单一技术路径内的工艺参数优化上，缺乏不同技术途径的系统性比较和战略评估。虽然各种方法在技术适用性和环境经济效益方面存在差异（这些差异取决于残余阳极中碳基质和杂质（如可溶性氟化物、重金属等）的物理化学性质[34]），但目前研究仍存在两个主要不足：首先，尚未深入探索残余阳极衍生碳材料在新能源领域的高附加值利用；其次，很少有研究提出能够协同回收氟、碳、锂等元素的集成工艺。这些限制导致残余阳极的大规模工业处置仍处于“标准排放”阶段，未能实现向“资源创造”模式的全面转型。
本文旨在系统综述废旧碳阳极（SCA）的研究进展，涵盖其生成机制、物理化学性质及处理技术，重点探讨无害化处置和资源回收的协同方法。具体而言，本文首先解释了SCA的生成过程及其关键成分（尤其是碳基质和氟、钠等杂质[42]）的存在形式。随后系统评估了湿法浸出、火法冶金等新兴处理技术的脱氟效率[26]、碳回收潜力及经济效益。在此基础上，深入探讨了SCA衍生碳材料在铁钢冶金和电化学储能领域的高价值应用前景。总体而言，为满足电解铝工业绿色转型的迫切需求，有必要开发基于多元素协同回收和材料循环设计的转型技术体系，推动电解铝固体废物管理向资源闭环模式的战略升级。
章节摘录
SCA的组成和来源
作为现代电解槽的核心组件[52]，预焙碳阳极的组成、结构和性能直接影响电解过程的能源效率和材料消耗[49]。该材料以石油焦或沥青焦作为骨料（质量分数≥80%），并通过原料煅烧（1250–1350°C）、破碎筛分、配料揉捏、振动成型等工艺制备而成，其中煤沥青作为粘合剂。
SCA的无害化处理
鉴于上述SCA成分的复杂性及其潜在的重大环境风险，迫切需要开发高效的解毒和分离技术。以下章节将系统评估现有的各种处理工艺。电解铝残余阳极的无害化处理旨在解决可溶性氟化物、石油焦及各种重金属杂质带来的环境和安全风险。
作为燃料和矿化剂的使用
值得注意的是，无论作为燃料还是矿化剂使用，SCA都必须经过无害化处理，这是其资源利用的先决条件。未经处理的残余阳极直接使用将带来严重的环境风险。经过破碎筛分后粒径小于30毫米的SCA颗粒可直接作为补充燃料投入水泥窑分解炉或循环流化床锅炉。其热值约为23–27 MJ/kg。
结论与展望
废阳极碳块（SCA）既具有环境风险，也具有资源潜力。实现其高附加值利用的前提是准确打破碳基质与氟化物盐在微观尺度上的紧密界面结构。当前学术共识认为，单一技术路径难以同时兼顾成本和效率，构建多技术耦合处理系统已成为行业发展的必然趋势。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
特此感谢以下项目的财政支持：云南省重点产业科技项目（编号：FWCY-QYCT2024004和中央引导地方科技发展基金项目（资助编号：[202407AB110022）。
