浅析铝电解槽废旧阴极的综合利用

摘 要：我国的电解铝产量大，随之每年就会产生大量的废旧阴极，不恰当地处理废旧阴极会对环境带来了巨大的危害，然而废旧阴极中含有许多工业上有用的物质。本研究将废旧阴极中的有害物质氟化物分解，并将氧化铝、炭、冰晶石、氟化钠等有用物质分离回收，不仅减轻了环境压力，而且还可以回收利用其中的有用物质。

关键词：铝电解槽；阴极；回收利用

【分类号】TF351

一、前言

电解铝工业是国民经济中的基础产业，对当今社会发展起着至关重要的作用。据统计，截止到2013年底我国电解铝产量连续13年位居世界第一。在铝电解过程中，阴极内衬会被铝液、氟化物等侵蚀，其寿命一般为2-5年。研究表明，平均每生产1 t 铝约排出废旧阴极30～50 kg[1]。我国2012年达到1988.3万吨，按照30kg/t计算，则排出废旧阴极59.6 万吨，可见废旧阴极的堆存量之大，已对环保造成巨大压力。然而目前，废旧阴极的处理方式是露天堆放，既侵占土地，又污染环境，其中的有毒物质氟化物和氰化物会渗入到地下污染水源，已成为一项公害。电解铝工业在创造了大量经济价值的同时也带来了环境污染。

二、阴极内衬组成分析

阴极的主要组成是炭和电解质，对废旧阴极原料进行机械破碎（包括粗碎、中碎和细碎），然后进一步磨细、混合均匀，后通过偏光显微镜结构分析表明，浸入其中电解质分布与炭块裂缝和孔洞当中，并且与炭之间有明显的界面，经过物理破碎可以将炭与电解质二者分开。经过分析，可知废旧阴极炭块中主要所含物质为C、Al2O3、Na3AlF6、NaF、SiO2、Fe2SO4，其所含成分大部分是有用的。C可以作为燃料或者用于再制造新的阴极炭块，Na、F、Al及其化合物均是电解绍生产中重要的添加剂，Ca、Si、Fe的氧化物是水泥的组成成分。因此说，废旧阴极内衬是重要的可再生资源，如果加以利用，变废为宝，既能保护环境，又可以解决资源问题，符合我国可持续发展战略的要求。

三、分离处理技术

目前，可用于处理废旧阴极的方法有很多，具体如下：

（一）碱浸出法

碱浸出的反应原理，主要是NaOH与废旧阴极中的A1203和Na3AlF6反应，生成Al（OH）4-，并可以将氟化物等有害物质抑制在碱性环境中。具体的实验操作方法为：每组取l00g磨细处理后的废旧阴极炭块进行碱浸出操作，分别对单因素NaOH浓度、浸出温度、浸出时间和液固比进行实验分析，对实验所得的浸出液与浸出液采用化学元素分析和XRD测试以方法进行检测。实验结果表明：取65gNaOH固体，溶解于600ml水中，取100g阴极融入其中，即液固比为6：1，碱浸时间为3h，反应温度为100℃时浸出效果最好[2]。此方法处理成本高、设备腐蚀等问题限制了其工业应用。

（二）浮选法

浮选法是一种利用炭和电解质疏水性的差异，实现二者的分离。通过其工艺流程，可以实现废旧阴极中的炭和冰晶石等有用成分的综合回收利用，并在处理过程中把有毒的氰化物分解。在浮选实验中选择的捕收剂为煤油，由于煤油对浮选不会造成二次污染，而且工艺成熟，浮选效果良好。选用水玻璃和AH6作为调整剂，AH6是一种高分子化合物，与水玻璃联合使用能够有效地消除炭对电解质表面的污染，增大炭与电解质之间的可浮性差异性，提高了捕收剂的选择性，使炭和电解质能够良好的分离[3]。该方法流程短、成本低且满足环保要求，工业化推广潜力大。

（三）高温水解法

阴极老化衬料在高温（1000℃以上）处理，燃烧的同时通入水蒸汽，则会有气态HF生成，可以用水进行回收利用。原料中含有炭、铅的化合物、氟盐等有用物质，在经处理之后得到氯氟酸和铅酸钠溶液，其中铅酸钠溶液可以合并到拜耳法流程中去来生产制造氧化铅。

（四）燃烧法

燃烧法即是将废旧炭块破碎以后，添加石灰石、粉煤灰等添加剂，有效控制有害物质的燃烧分解条件，进行燃烧反应，既保证达到无害化，同时利用其中炭素材料的热能。其中的氰化物在700℃时分解率可以达到100%。

四、有效回收利用

（一）制造冰晶石与氟化铝

磨细后用稀碱液浸出氧化铝和冰晶石，然后与电解槽烟气洗涤液混合以制取冰晶石，这样节省了大量的新鲜氟盐，残余炭渣作为燃料出售。同时，高温水解处理中，生成的HF气体，用水吸收HF后，得到了25%的水溶液，这可以用来制造工业氟化铝。

（二）用作添加剂与流动剂

目前在钢铁工业生产中，需要石灰石和蛮石作为溶剂，其作用是降低炉渣的溶点和粘度；需要冶金焦作为燃料，炭又可作为还原剂。废旧内衬中的炭作为燃料来代替冶金焦，氟盐亦可以代替蛮石作为焰剂。也可以用作铝电解槽阳极添加剂，用于自焙阳极中，炭可以直接用于电化学过程，而氟化物（和氧化物）进入电解质，不需要复杂的化学回收工艺流程，其中的氰化物也得到了处理。同时，废旧内衬中的部分耐火材料富含氧化铝，用于抬包中可以作为流动剂使用。将耐火材料被粉碎以后与适当的混凝土进行混合，可以用于维修炼钢电路的炉衬。

（三）用作燃料

在氧化铝生产过程当中，将废旧阴极材料磨细后，作为回转窑的燃料来生产氧化铝烧结块。废旧炭块作为燃料还可以被用于铸造工业、石棉厂和火力发电厂。还有的外国公司将废旧阴极炭块用作垃圾焚烧站的燃料使用，此外也有的作为锅炉燃料，提供热水等生活福利。同时废旧阴极的炭可成为水泥制造中的补充燃料，其中的碱金属氟化物在炉料烧结反应中可以起到催化剂的作用[4]。因此，加入废旧阴极可以使熟料的烧结温度得到降低，并减少燃料的用量。

五、结论

研究铝电解槽废旧炭块的综合利用工艺，既是资源回收的内容，也是环境保护的要求。处理废旧阴极的应遵循的原则一是无害化，二是回收利用。归纳起来主要有以下三个方面：炭的回收利用，电解质的回收和氰化物的处理。

参考文献：

[1]陈喜平，李旺兴.铝电解槽废阴极的性能研究[J].轻金属，2008（6）：39-44.

[2]黄尚展.电解槽废旧阴极现状处理及技术分析[J].轻金属，2009（4）：29-32.

[3]刘志东.碱浸浮选法处理铝电解废旧阴极的工艺研究[J].轻金属，2012（3）：30-33.

[4]积良，张世福.延长铝电解槽寿命的新途径[J].材料与冶金学报，2009，9：167-169.

作者简介：

王博（1987-），男，本科，助理工程师；工作单位：山东省烟台市南山集团铝业四期质检科