[发明专利]处理含铝、氟和钠离子的固态含碳材料的方法

说明书

本发明涉及处理包含铝、氟和Na⁺离子的固态含碳材料的方法，包括如下步骤：(a)用至少一种碱性水溶液沥滤所述固态含碳材料，以形成(i)包含水溶性铝、氟和Na⁺离子的提取溶液和(ii)至少一种不溶性固态残余物；(b)使所述不溶性固态残余物与所述提取溶液分离；(c)使所述不含不溶性固态残余物的提取溶液经受膜电解过程，以形成至少一种含铝沉积物和至少一种NaOH水溶液。上述方法特别适合于处理由氧化铝还原电解池获得的废电解池内衬(SPL)，用于回收其中包含的铝、氟和钠离子。

本发明涉及处理含铝、氟和钠离子的固态含碳材料的方法。本发明方法特别适合处理由原铝生产方法得到的废电解池内衬。

铝通常通过铝基矿物质(主要为铝土矿)还原生产。还原反应在含熔融冰晶石(Na₃AlF₆)和其它盐如氟化铝(AlF₃)、碱金属氟化物(如NaF、LiF)和碱土金属氟化物(如CaF₂、MgF₂)的还原电解池(槽)中实施。还原电解池的壁和底内部涂有基于含碳材料的内衬。当操作电解池时，所述涂层逐渐劣化，使各种材料渗入其内部。内衬劣化随时间持续直到必须中断电解池的功能，用新内衬替换掉劣化内衬(废电解池内衬)。废电解池内衬在本文中也称作SPL，通常还包含一部分位于电解池外部与所述内衬一起移除的难熔材料。

由于电解池的操作条件，SPL含有大量的铝、氟、碱金属(特别是钠)和碱土金属以及其它物质如氮化物和氰化物。这些物质危害人类健康和环境，且相对易于被水提取，因此要求在最终填埋处置之前合适处理SPL，以将危险物质含量降至可接受水平。

在现有技术中，已知各种SPL处理方法目的在于回收至少部分其中包含的物质，特别是铝和氟，并有可能将它们回收用于原铝生产方法中。

例如，已知处理方法包括燃烧、烘培或使SPL与生石灰反应。还已知SPL湿法治金处理方法，其基于利用酸或碱溶液从含碳材料中提取出感兴趣物质。

已知技术处理方法通常涉及高的能耗和/或与用于处理SPL的大量反应试剂相关的较高成本。另外，在许多情况下，现有技术的已知方法仅允许有效回收一些感兴趣的物质，会产生包含污染物质的进一步残余物，后者仍需要进一步具体处理才能够安全处置。

目的在于回收氟的SPL湿法治金处理的一个实例在US 4,816,122中有述。

在第一个实施方案中，US 4,816,122中描述的方法提供了用苛性钠浓溶液提取SPL，以形成含氟化钠(NaF)和铝酸钠(NaAl(OH)₄)的提取溶液。由于氟化物在苛性钠浓溶液中有较小的溶解度，部分氟化物(如果不是全部的话)以NaF形式保留在不溶性固态残余物中。分离提取溶液后，用水或用稀NaF水溶液从不溶性固态残余物中提取NaF。

在第二个实施方案中，US 4,816,122中描述的方法提供了用稀苛性钠溶液提取SPL，以溶解更大量的氟化钠和形成不溶性固态残余物。通过蒸发浓缩含氟化钠的碱溶液以使固态NaF沉积，而固态NaF在从浓溶液中分离后再次溶解于水中。

上述两种实施方案均导致分离和回收固态NaF，然后再次溶解固态NaF以形成待电渗析的水溶液，用于生产HF水溶液和NaOH水溶液。在随后的步骤中，HF的水溶液可以与氧化铝(Al₂O₃)反应产生AlF₃，从而获得可在产生原铝的还原电解池液中再次利用的产品。由电渗析产生的NaOH溶液可以循环至铝矿物质的纯化过程(Bayer过程)中，以产生待进料至还原电解池的氧化铝。

当用浓碱溶液实施提取时，在SPL中包含的大部分铝以铝酸钠形式溶解。同样，在这种情况下，可以将铝酸钠循环至Bayer过程，该循环有可能通过喷雾干燥法干燥后进行。另一方面，当用稀碱溶液实施提取时，大部分铝酸盐保留在碱溶液中，所述碱溶液必须通过蒸发浓缩，致使这部分铝最终被弃置。