电解铝废渣溶解新工艺探索及锂资源回收方法研究

一、引言

电解铝行业在全球工业化进程中占据关键地位，为众多领域提供了基础原材料。然而，其生产过程伴随的废渣排放问题日益严峻。据估算，每生产1 吨铝，会产生约15-20 千克的大修渣以及一定量的电解质废渣。这些废渣中不仅富含氟化物、氰化物等有毒有害物质，对生态环境和人体健康构成严重威胁，还蕴藏着锂、铝、碳等具有重要经济价值的元素。以锂为例，由于原料及生产过程添加剂等因素，大修渣中锂含量约为 0.45% ，电解质废渣中锂含量可达 1.4% 。锂作为新能源产业的核心金属，在锂离子电池、储能系统等领域不可或缺，随着新能源产业的迅猛发展，其需求与日俱增，资源回收意义重大。

传统电解铝废渣处理方法存在诸多弊端。填埋法因环境污染风险和资源浪费已逐渐被摒弃；物理分选法分离效果有限，难以满足资源高效回收需求。火法处理虽能分解部分有害物质，但能耗高、尾气污染严重。湿法处理中的酸浸法，如使用硫酸、盐酸、硝酸等，虽能使锂溶出，但存在有害气体释放、溶液杂质多等问题。碱浸法虽可避免酸浸的部分弊端，却面临碱耗大、设备要求高、废水处理难等挑战。盐浸法作为新兴方向，虽减少了部分污染，但浸出效率受多种因素制约，工艺复杂且成本高。因此，开发高效、环保、经济的电解铝废渣处理及锂资源回收新工艺迫在眉睫。

二、实验部分

2.1 实验材料与设备

2.1.1 废渣样品

本研究中的大修渣和电解质废渣均取自某大型电解铝厂。其中，大修渣为电解铝槽内衬经长期使用后，因受电解质侵蚀、高温铝液冲刷等作用而损坏替换下来的物料，其锂含量经检测为 。电解质废渣则是从电解槽中定期抽出的、因锂等成分富集而性能下降的电解质废料，锂含量高达 1.4675% 。为确保实验结果的准确性与可靠性，所有废渣样品在实验前均进行了预处理，将其破碎至合适粒度，以便后续实验操作。

32% 液碱、硝酸（分析纯）、石灰（工业级）。

2.1.3 设备

集热式恒温加热磁力搅拌器（DF-101S），用于精确控制反应温度并提供稳定的搅拌动力，确保反应体系均匀混合；

原子吸收分光光度计（TAS-990），用于准确测定浸出液中锂元素的浓度，进而计算锂的浸出率；

均相反应器（JX-8-200），为反应提供良好的反应环境，保证实验条件的一致性。

2.2 实验方案

2.2.1 大修渣处理

酸浸流程：废渣破碎 ∣ 粗磨 ∣ 水溶预处理（固液比 5：1， 30min ） ∣ 过滤 ∣∣ 滤饼酸浸（变量：硝酸浓度 0.5～2mol/L 、液固比 5：1～10：1、温度 30～90^∘C 、时间0.5～4h） ∣ 过滤 ∣ 检测。

碱浸流程：废渣细磨（ D50≤90μm ） ∣∣ 与石灰（1：1）混合 $$ 碱浸（Nk50碱液，液固比7.5：1， 100^∘C ，1～4h） ∣ 过滤 $$ 检测。

2.2.2 电解质处理

碱浸流程：电解质细磨（ D50≤100μm ） ∣∣ 与石灰（1：1）混合 $$ 碱浸（变量：碱浓度 Nk10～50 、液固比 5：1～10：1， 100^∘C ，1h） ∣ 过滤 $$ 检测。

酸浸对比：硝酸浓度 1～2mol/L ，液固比 10：1～20：1， 50^∘C ，1h。

2.3 检测方法

采用原子吸收分光光度计测定浸出液锂浓度，计算浸出率：

浸出率（%）=（浸出液锂总量/废渣总锂量）×100%

三、结果与讨论

3.1 大修渣溶解工艺优化

3.1.1 酸浸法关键因素影响

1.酸浓度：1mol/L 硝酸时浸出率达 87.63% ， 2mol/L 时无显著提升（ 87.04% ），过高浓度导致杂质溶解增加（表1）。

2.1.2 试剂

表1 不同酸浓度对大修渣酸浸的影响（液固比10：1， 50^∘C ，1h，水溶预处理）

但同时引入更多杂质离子，影响了锂浸出的选择性。

研究表明，当硝酸浓度为 1mol/L 时，锂浸出率达到较高水平，继续增加硝酸浓度至 2mol/L ，浸出率提升不明显，反而导致更多杂质溶解，增加后续分离难度。这是因为锂的浸出过程存在化学平衡，过高酸浓度虽增加了氢离子浓度，

2.液固比：从5：1 增至10：1，浸出率从 82% 升至 95.41% （表2），高液固比促进锂离子扩散。

表2 不同液固比对大修渣酸浸的影响（1mol/L 硝酸， 50^∘C ，1h，水溶预处理）

3.预处理与时间：水溶预处理使浸出率提升 20% 以上； 30min 内浸出率达90.5% ，1h 后趋于稳定（表3）。

提高液固比能够增加反应体系中溶剂的量，为锂离子从废渣颗粒向溶液扩散提供更有利的条件，从而显著提高锂浸出率。但液固比过高会增加试剂消耗和后续处理成本，综合考虑，10：1 为较优选择。

表3 预处理及反应时间对大修渣酸浸的影响（ 1mol/L 硝酸，液固比10：1， 50^∘C ）

继续延长时间对浸出率提升作用有限。

水溶预处理能够去除废渣中的部分可溶性杂质，避免其在酸浸过程中与酸反应生成硅胶等物质，堵塞废渣颗粒孔隙，阻碍锂离子溶出。反应时间实验显示，30min 内锂浸出率已达 90.5% ，1h 后基本稳定，表明反应在较短时间内即可完成，

最优酸浸工艺： 1mol/L 硝酸，液固比 10：1， 50^∘C 反应 1h（先水溶），浸出率 。

3.1.2 碱浸法关键因素影响

1.碱浓度： 180g/L 苛碱时浸出率达 80.2% ， 200g/L 时无显著提升（ 81.6% ）过高浓度对浸出率提升不大。

研究表明，浸出率随着苛碱浓度的升高而增大，但是当苛碱浓度达到 180g/L 溶解，增加后续分离难度。

上时，继续增加苛碱浓度至 200g/L ，浸出率提升不明显，反而导致更多杂质

2.大修渣粒度：降低粒度对提升大修渣的浸出率有效，但影响不大。

表5 不同粒度大修渣对大修渣碱浸的影响（液固比10：1， 90^∘C ，1h，苛碱浓度 50g/L ）

由实验结果可以看出，降低粒度对提升大修渣的浸出率有效，但影响不大 3.反应温度：提高反应温度对提升大修渣的碱浸出率有效，但影响不大。

表4 不同苛碱浓度对大修渣碱浸的影响（液固比10：1， 180^∘mathsfC ，1h）

表6 不同反应温度对大修渣碱浸的影响（液固比10：1，粒度 18.8μm ，1h，苛碱浓度 50g/L ）

由实验结果可以看出，提高反应温度对大修渣浸出率有一定影响，反应温度 碱浸最优条件（ 100^∘C ，Nk50 碱液）浸出率 87.35% ，低于酸浸且能耗更高越高，浸出率越大，但影响不大。 （表4），故优先选择酸浸。

3.1.3 酸浸与碱浸对比

对比酸浸与碱浸工艺，碱浸在最佳条件下锂浸出率低于酸浸，且反应需在100^∘C 高温下进行，能耗显著增加。酸浸法虽有少量废气产生，但可通过尾气处理装置有效控制，综合考虑浸出率、能耗和环保等因素，酸浸法在大修渣处理中优势明显。

3.2 电解质溶解工艺优化

3.2.1 碱浸法关键因素影响

1.石灰添加：电解质与石灰比1：1 时，浸出率从 32.5% 跃升至 96.6% （表8），石灰可降低碱耗并固定氟化物。

表8 不同石灰比例对电解质碱浸的影响（Nk50 碱液，液固比7.5：1， 100^∘C ，1h）

石灰的添加能够与电解质中的杂质反应，降低碱耗，同时使氟化物转化为氟

钙沉淀，减少氟对锂浸出的干扰，显著提高锂浸出率。当电解质与石灰比例为率 97.7%_o

2.碱浓度与液固比：Nk50 碱液、液固比7.5：1 时浸出率最高（表6）。

表9 碱浓度及液固比对电解质碱浸的影响（石灰1：1， 100^∘C ，1h）

实验表明，Nk50 碱液浓度下锂浸出率最高，继续增加碱浓度，浸出率无明显提升，甚至可能因体系黏度增加影响传质。液固比7.5：1 时，为反应提供了适宜的空间，有利于离子扩散和反应进行，浸出率显著高于其他比例。

最优碱浸工艺：Nk50 碱液，液固比7.5：1， 100^∘C 反应1h（石灰1：1），浸出

3.2.2 酸浸局限性

酸浸最高浸出率仅 58.99% （表10），因氟化物与酸反应生成难溶物阻碍锂溶出，故不适用。

表10 电解质酸浸结果 （50°C， 1h）

在酸浸电解质废渣过程中，氟化物与酸反应生成难溶性的氟化钙、氟铝酸盐等，这些物质在废渣颗粒表面形成致密保护膜，严重阻碍酸与锂化合物的接触，导致锂浸出率极低，远低于碱浸工艺，因此酸浸法不适用于电解质废渣锂资源回收。

四、结论

1.大修渣最优工艺：水溶预处理后， 1mol/L 硝酸、液固比 10：1、 50^∘C 反应1h，锂浸出率 95.41%_< 。

2.电解质最优工艺：Nk50 碱液、液固比7.5：1、 100^∘C 反应1h（石灰1：1），锂浸出率 97.7% 。

3.两种工艺分别针对废渣特性，实现高效回收，降低试剂消耗，适合工业化应用。

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