鋁型材污泥綜合利用新進展*

胡振斌，唐維學，潘湛昌，吳 建，麥汝鋒

1.廣東工業大學輕工化工學院，廣東 廣州 510006；2.廣東省工業分析檢測中心，廣東 廣州 510650

鋁型材制品需進行表面處理，目前國內外主要采用陽極氧化方法而獲得3～30 μm厚的人工氧化膜[1]，在進行脫脂、酸蝕、堿蝕、中和、陽極氧化、著色、封孔及噴涂前處理等工序時，均會使用各種酸堿對表面處理而產生大量的廢水，廢水經中和調節、絮凝沉淀及壓濾后得到污泥，待其進一步脫水后即為含鋁廢渣．經過檢測廢渣發現，其主要成分是結晶不完整的氧化鋁水合物，其次是金屬鹽(銅、鐵鹽等)，另外還含有少量的對環境有害的鉛、鉻、汞、氟等化合物．

據統計，國內平均生產1 t鋁型材，將產生約100 kg的綜合廢水污泥，綜合廢水污泥率為10%(含水率 80%～90%)，僅2019年全國鋁型材產量高達2×106t，預計我國鋁型材產量還會隨經濟的日益發展繼續增大，因此污泥數量也會增加．隨著我國固體廢棄物排放標準的提高，各環保部門監管越來越全面，使鋁型材加工企業，面臨較大的環保壓力．如果不對其及時處理而任意堆放，不僅占用大量場地，而且容易造成二次污染，使得許多有用化學成分流失造成浪費，所以合理地回收利用這部分固體廢棄物，變廢為寶，具有重要的環保意義．

1 鋁型材污泥綜合利用

1.1 鋁型材污泥制備活性氧化鋁材料

活性氧化鋁是多孔性的固體物料，具有很大的比表面積和孔容量，吸附性能好，熱穩定性優良，廣泛用作各種行業中的吸附劑、脫水劑和催化劑及載體[2]．

吳任平等人[3]以鋁型材污泥為原料，加入硝酸作為粘結劑，通過濕法球磨、造粒、干燥、煅燒制備活性氧化鋁．該研究發現，適當加入硝酸可以提高活性氧化鋁的比表面積．劉欣等人[4]將鋁型材污泥先用一定量濃度的鹽酸溶解后，再用NaOH溶液滴定控制溶液pH值，制得鋁酸鈉溶液后再將二氧化碳氣體通入到鋁酸鈉溶液中而制得Al(OH)3膠體，干燥后經煅燒處理，得到純度為98%的α-Al2O3，該氧化鋁可作為精細陶瓷的工業原料．該研究在酸堿聯合使用的基礎上結合氧化鋁生產方法，充分利用了污泥中含鋁量高的特點，制備得到氧化鋁．該研究與拜耳法生產氧化鋁相比工藝更加簡單、產量高，而且產業化成本不高，該工藝有較高的推廣價值．

1.2 鋁型材污泥制備鈦酸鋁材料

鈦酸鋁(Al2TiO5)陶瓷具有高達1860 ℃的熔點和接近零的熱膨脹系數，是非常理想的耐高溫、抗熱震材料[5-6]．鈦酸鋁陶瓷可用作催化劑的高溫多孔載體、高溫窯爐內襯等，具有廣闊的工業應用前景[7-8]．制備鈦酸鋁的方法有多種，液相法制備鈦酸鋁由于產率較低，所以局限于在實驗室少量制備的階段[9]，而固相法制備鈦酸鋁工藝簡單，但能耗較高，而且難以制備高純度的產品．工業上制備鈦酸鋁通常以α-Al2O3和TiO2為原料，通過高溫煅燒合成．但有其局限性，易受原料品位的影響．由于鋁型材污泥含鋁量高，因此可作為高鋁原料的替代品[10]．

Y.Shen等人[11]以鋁型材污泥和二氧化鈦為主要原料經煅燒制備鈦酸鋁，該研究發現燒結溫度對鈦酸鋁純度有著較大影響．提高燒結溫度可以提高鈦酸鋁的含量，當燒結溫度1420 ℃時，鈦酸鋁的含量達到最大值，純度為89.3%．隨著燒結溫度繼續升高，生成的鈦酸鋁的含量反而下降，這可能是由于溫度過高使生成的鈦酸鋁發生分解，而導致其含量下降．王成勇等人[12]在上述研究的基礎上，添加少量ZrO2礦化劑，研究發現添加適量的ZrO2可以提高鈦酸鋁含量，這可能是因為ZrO2能與鈦酸鋁形成置換固溶體，能抑制其分解，提高熱穩定性并增加含量．由此可見，鋁型材污泥適合作為高鋁原料替代品用于生產鈦酸鋁，并且可以通過添加礦化劑的方式提高鋁型材污泥制得鈦酸鋁的含量．

1.3 鋁型材污泥制備莫來石材料

莫來石為鋁硅酸鹽礦物，具有耐火度高、抗熱震性、抗化學侵蝕性強及體積穩定性高等優點，是理想的高級耐火材料[13]．莫來石的性質與其純度密切相關，純度越高產品的性能越好．傳統莫來石是由大多純度不同的工業氧化鋁和石英合成，成本非常高，合成溫度約為 1700 ℃左右[14]．所以在保證高純度的基礎上如何降低生產成本，就成為眾多研究者研究的方向．

Chen Y.R.[15]及陳永瑞[16]等人，以鋁型材廠污泥和葉蠟石為主要原料制備莫來石．Chen Y.R.探討了BaF2礦化劑對莫來石晶體的影響．研究表明：當BaF2最佳用量為0.5%、煅燒溫度為1550 ℃時，莫來石純度為95.8%．陳永瑞探討添加TiO2礦化劑對莫來石形成的影響，研究表明最佳TiO2礦化劑添加量為1.0%，莫來石純度為98.5%．由此可見，礦化劑的選擇對鋁型材污泥制備莫來石純度的影響較大．燒結莫來石的關鍵工藝是保證莫來石高純度和高致密度，需要采用足夠細的原料及1700 ℃以上的高溫下燒結，以促進化學反應的完全[17]．許多天然原料和工業原料都可用來合成莫來石，不同原料的燒結溫度、反應程度和產品純度會有一定差別，上述以鋁型材污泥及粘土、葉臘石為主要原料，通過固相反應合成莫來石，與常規使用的工業氧化鋁與石英燒結制得的莫來石相比，燒結溫度低200 ℃左右，并且節約能源，具有顯著的經濟效益．

林生鳳[18]以鋁型材污泥和煤矸石為原料，根據不同配比制樣并燒成莫來石．煤矸石屬于礦井的固體廢棄物，產量較大，據不完全統計全國每年的煤矸石年產量大約2億噸，這些煤矸石占用大量土地，對大氣和水體造成嚴重污染，該研究一旦投產，極有可能解決煤矸石和鋁型材污泥污泥廢棄物大量堆積的現實問題，為多種固體廢棄物的綜合利用變廢為寶提供參考．

1.4 鋁型材污泥制備水泥

硫鋁酸鹽水泥是特種水泥中的一種，早期強度高，有良好的抗凍、抗侵蝕、抗滲性能等，因此常被應用于一些特殊工程環境，如搶修與搶建工程、冬季施工等[19]．現在大多數企業生產的硫鋁酸鹽水泥，都是通過添加高品位的鋁礬土及其它原料燒制而成．由于高品位鋁礬土資源有限，而且價格較高，這使得硫鋁酸鹽水泥生產成本較高，因此尋找其它鋁源制備硫鋁酸鹽水泥成為眾多學者研究的課題．

李西中等人[20]以鋁型材污泥、脫硫石膏、低品位鋁礬土等為原料，通過混料、磨細、煅燒制備硫鋁酸鈣水泥，該方法用于生產快硬42.5早強型和低堿度42.5硫鋁酸鹽水泥，所制備的水泥品質較好，既降低了生產成本，又減少水泥企業對高品質鋁礬土資源的消耗，為水泥產業的發展開辟新的路徑．Ewais[21]利用鋁污泥作為氧化鋁和氧化鈣的來源，并添加一些鋁礦渣來制造鋁酸鈣水泥混合料，結果表明：45%～50%的鋁污泥、37.5%～41.25%的鋁礦渣和12.5%～13.75%的氧化鋁配制的水泥混合料燒制的水泥性能最優，并且符合國際標準規范要求．該研究大大減少了鋁酸鈣水泥對工業原料的需求，由于水泥需求量大，因此可以大量的消耗鋁型材污泥，解決污泥大量填埋、堆放的問題．

1.5 鋁型材污泥制備凈水劑

聚合氯化鋁(PAC)是一種凈水材料，是一種分子量較大、電荷較高的無機高分子水處理藥劑，通常是采用含鋁的礦料(輕燒鋁礬土、結巴鋁、氫氧化鋁、鋁酸鈣粉等)與鹽酸反應來制備，對鋁資源的消耗非常大[22]．

張立果等人[23]利用鋁型材污泥含鋁量高的特點，以鋁型材污泥、氧化鈣和鹽酸等為主要原料來生產聚合氯化鋁，采用芬頓試劑對鋁型材廠污泥中的可溶性有機物進行分解，采用重金屬離子捕捉劑對重金屬離子進行沉淀去除．該工藝不僅可以減少鋁資源的消耗，又能為企業帶來額外的產出，同時還可以實現了資源的綜合回收利用，符合國家可持續發展戰略．劉細祥等人[24]以鋁型材污泥為原料，采用一步酸溶法制備聚合氯化鋁，先用鹽酸溶解污泥并提取其中的鋁，探討了反應時間、反應溫度、鹽酸濃度等因素對污泥中鋁溶出的影響，通過單因素和正交實驗，確定聚合氯化鋁最佳制備工藝條件，并將自制聚合氯化鋁處理實際工業造紙廢水，實驗結果表明：自制的聚合氯化鋁用于處理造紙中段廢水，COD去除率可達到28.9%．該研究為鋁型材污泥制備聚合氯化鋁工業化提供基礎數據，以期為鋁型材污泥的綜合利用尋找一條新途徑，實現以廢治廢的目的．

1.6 鋁型材污泥的其它應用

鋁型材污泥除了制備以上材料以外，還可以合成人造冰晶石、堇青石、耐火磚、超細硅酸鋁、重金屬吸附材料等．

廣東省工業分析檢測中心唐維學等人[25]開發了一種利用鋁型材污泥制備冰晶石的工藝，該工藝是在污泥中加入除雜藥劑，通過控制溶液pH值等條件去除雜質，然后在溶液中加入一定量的氯化鈉和氯化鋁，調節反應溫度、pH值、氯化鈉用量，制備出含Na3AlF6的產物，將其沉淀、過濾、烘干，得到最終產品人造冰晶石．該工藝充分利用污泥中的鋁和氟制備的人造冰晶石，質量達到國家標準，目前該工藝已產業化，取得較好的經濟效益．

堇青石材料熱膨脹系數小，熱穩定性好，一直受到冶金、化工、建材、環保及電子等行業的親睞[26]．于巖等人[27]以鋁型材廠工業污泥、滑石粉和粘土為主要原料，通過球磨、塑造成塊、干燥、高溫燒結合成堇青石材料，該研究發現燒結時間在2～5 h范圍內，堇青石含量隨著燒結時間的延長而增加．這可能是由于固相反應與燒結時間有關,時間越長反應物擴散到界面的數量增加，反應產生的產物越多．但當燒結時間繼續延長，產物層增厚，反應物擴散至界面的阻力增加，開始阻礙固相反應進行，與此同時形成的液相顯著增加，使反應形成的少量堇青石分解，所以當燒結時間在5～6 h時堇青石含量開始降低．實驗結果表明：燒結5 h為最佳反應時間，其對應的堇青石含量最高達到88%．由此可見，燒結時間是影響鋁型材污泥制備堇青石的關鍵因素，該研究為鋁型材污泥制備堇青石工業化提供基礎數據．

張燕等人[28]開發了一種以鋁型材污泥、煤矸石、粉煤灰、廢石膏等固體廢棄物為原料制耐火磚的方法，該方法制備的耐火磚具備優良的性能指標：顯氣孔率14%～20%、體積密度3.0～3.5 g/cm、常溫耐壓強度150～230 MPa、高溫抗折強度50～70 MPa，具有較好的抗熱震性和耐腐蝕的能力．該耐火磚生產工藝簡單，可以大規模地利用各種工業固體廢棄物，大大降低了耐火磚的制造成本，減少了環境污染，化害為利，是一個固廢綜合利用的典例．

蔣銀峰等人[29]發明了一種以鋁廠污泥制備超細硅酸鋁的方法，該方法是將鋁廠污泥與濃硫酸溶液反應，經壓濾得硫酸鋁溶液，然后加入堿金屬氯化物和堿土金屬氯化物，保溫沉化，再經烘干、灼燒、粉碎，最終得到超細硅酸鋁產品．該方法原料易得、工藝操作簡單，可廣泛用于涂料、塑料、橡膠、印染、造紙等行業．

于巖等人[30]利用鋁型材污泥發明了一種新型吸附-生長水相重金屬吸附材料，該發明是將預處理好的鋁型材污泥、牡蠣殼粉、硅微粉及石墨粉進行球磨混合，待混合均勻，經造粒、陳腐后進行成型，燒結后與磷酸溶液進行水熱反應，然后烘干，即得到吸附-生長水相重金屬吸附材料．利用鋁型材污泥及鐵合金冶煉廠產生的硅微粉、農貿市場的牡蠣等廢棄資源為原料，研制出能穩定吸附水相中重金屬離子的吸附材料，解決重金屬水污染問題，而且以廢治污，合理地實現了廢物利用，其制備方法簡單且易推廣，可促進社會環境的持續可協調發展．

2 結 語

鋁型材加工污泥資源化利用對于鋁型材行業發展有著十分重要的意義，鋁型材污泥粒徑超細、活性高、燒結溫度低，可節約能源、降低生產成本，具有顯著的經濟和環保效益．但由于鋁型材污泥成分多而雜，給后續資源化利用帶來較大技術挑戰．因此，采用對不同車間產出的污泥進行分類處理的方法可解決該問題．將鋁材堿洗產生的污泥，用于生產氫氧化鋁、氧化鋁、水泥原材料產品；將陽極氧化工序產生污泥，用于生產硫酸鋁，作工業凈水劑；將模具脫鋁過程產生的污泥，回收利用生產氫氧化鋁和硫酸鋁產品；行業制定利用污泥生產的廢物綜合再生利用產品專用質量標準，規范綜合利用和應用市場．